احیای آنزیم‌های یک میلیارد ساله/ سازگاری فتوسنتز با افزایش اکسیژن

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه «سای تک دیلی»، روبیسکو، بیوکاتالیست مرکزی در فتوسنتز، رایج‌ترین آنزیم در این سیاره است. گروهی از محققان موسسه ماکس پلانک با بازسازی آنزیم‌های میلیارد ساله یکی از سازگاری‌های اولیه فتوسنتز را کشف کردند. یافته‌های آن‌ها نه تنها چگونگی تکامل فتوسنتز مدرن را روشن می‌کند، بلکه انگیزه‌های جدیدی را برای تقویت آن فراهم می‌کند.

زندگی امروزی کاملاً به موجودات فتوسنتزی مانند گیاهان و جلبک‌ها وابسته است که CO۲ را جذب و تبدیل می‌کنند. آنزیمی به نام روبیسکو که سالانه بیش از ۴۰۰ میلیارد تن CO۲ را جذب می‌کند، در قلب این فرآیند‌ها قرار دارد. روبیسکو در مقادیر شگفت انگیزی توسط موجودات زنده امروزی تولید می‌شود. جرم آن روی زمین از مجموع جرم همه انسان‌ها بیشتر است. روبیسکو برای ایفای چنین نقش مهمی در چرخه جهانی کربن باید به طور مستمر با شرایط محیطی در حال تغییر سازگار شود.

تیمی از موسسه میکروبیولوژی زمینی ماکس پلانک در ماربورگ، آلمان، با همکاری دانشگاه سنگاپور، اکنون با موفقیت آنزیم‌های میلیارد ساله را با استفاده از ترکیبی از تکنیک‌های محاسباتی و مصنوعی در آزمایشگاه احیا و مطالعه کرده اند.

محققان کشف کردند که در این فرآیند، که آن‌ها از آن به عنوان "دیرینه شناسی مولکولی" یاد می‌کنند، یک جزء کاملاً جدید فتوسنتز را برای انطباق با افزایش سطح اکسیژن به جای جهش مستقیم در مرکز فعال آماده می‌کند.

تصویر میکروسکوپ کریو الکترونی از دو کمپلکس روبیسکو در حال تعامل با یکدیگر. اگر یک زیرواحد ضروری برای حلالیت وجود نداشته باشد، کمپلکس‌های آنزیمی منفرد می‌توانند از این طریق با یکدیگر تعامل داشته باشند و ساختار‌های نخ مانندی را تشکیل دهند که اصطلاحاً فیبریل نامیده می‌شود. اما در شرایط عادی، روبیسکو چنین فیبر‌هایی را تشکیل نمی‌دهد.

سردرگمی اولیه روبیسکو

روبیسکو قدمتی باستانی دارد: تقریباً چهار میلیارد سال پیش در متابولیسم اولیه قبل از حضور اکسیژن در زمین پدیدار شد.

با این حال، با اختراع فتوسنتز تولید اکسیژن و افزایش اکسیژن در اتمسفر، آنزیم شروع به کاتالیز کردن یک واکنش نامطلوب کرد که در آن O۲ را با CO۲ اشتباه گرفته و متابولیت‌هایی تولید می‌کند که برای سلول سمی هستند. این محدوده زیرلایه گیج هنوز روبیسکو را تا به امروز زخمی می‌کند و کارایی فتوسنتز را محدود می‌کند. حتی اگر روبیسکو‌هایی که در محیط‌های حاوی اکسیژن تکامل یافته بودند در طول زمان برای CO۲ اختصاصی‌تر شدند، هیچ یک از آن‌ها نتوانستند به طور کامل از واکنش جذب اکسیژن خلاص شوند.

عوامل مولکولی افزایش ویژگی CO۲ در روبیسکو تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده است. با این حال، آن‌ها برای محققانی که هدفشان بهبود فتوسنتز است، بسیار جالب است. جالب توجه است، آن دسته از روبیسکو‌هایی که ویژگی CO۲ افزایش یافته را نشان می‌دهند، یک جزء پروتئینی جدید با عملکرد ناشناخته را به کار گرفتند. گمان می‌رود که این جزء در افزایش ویژگی CO۲ نقش داشته باشد، با این حال، تعیین دلیل واقعی پیدایش آن دشوار است، زیرا میلیارد‌ها سال پیش تکامل یافته است.

مطالعه تکامل با احیای پروتئین‌های باستانی در آزمایشگاه

برای درک این رویداد کلیدی در تکامل روبیسکو‌های خاص تر، همکاران موسسه میکروبیولوژی زمینی ماکس پلانک در ماربورگ و دانشگاه فنی نانیانگ در سنگاپور از یک الگوریتم آماری برای بازسازی اشکال روبیسکو استفاده کردند که میلیارد‌ها سال پیش، قبل از شروع سطح اکسیژن وجود داشته اند. بالا آمدن. تیمی به سرپرستی محققان ماکس پلانک، توبیاس ارب و گئورگ هوچبرگ، این پروتئین‌های باستانی را در آزمایشگاه احیا کردند تا خواص آن‌ها را مطالعه کنند. به طور خاص، دانشمندان تعجب کردند که آیا جزء جدید روبیسکو با تکامل ویژگی بالاتر ارتباطی دارد یا خیر.

پاسخ تعجب آور بود، همانطور که محقق دکترا، لوکا شولز توضیح می‌دهد: «ما انتظار داشتیم که جزء جدید به نحوی مستقیماً اکسیژن را از مرکز کاتالیزوری روبیسکو حذف کند. این چیزی نیست که اتفاق افتاده است. در عوض، به نظر می‌رسد این زیرواحد جدید به‌عنوان تعدیل‌کننده تکامل عمل می‌کند: به‌کارگیری زیرواحد تأثیری را که جهش‌های بعدی بر زیرواحد کاتالیزوری روبیسکو گذاشت، تغییر داد. جهش‌های بی‌اهمیت قبلی به طور ناگهانی تأثیر زیادی بر ویژگی زمانی که این جزء جدید وجود داشت، داشت. به نظر می‌رسد که داشتن این زیرواحد جدید پتانسیل تکاملی روبیسکو را کاملاً تغییر داده است.

اعتیاد یک آنزیم به زیر واحد جدیدش

این عملکرد به عنوان یک «تعدیل‌کننده تکاملی» جنبه مرموز دیگری از جزء پروتئینی جدید را نیز توضیح می‌دهد: روبیسکو‌هایی که آن را ترکیب کرده‌اند کاملاً به آن وابسته هستند، حتی اگر سایر اشکال روبیسکو بدون آن کاملاً خوب عمل کنند. همین اثر تعدیل‌کننده دلیل را توضیح می‌دهد: وقتی روبیسکو به این جزء پروتئینی کوچک متصل می‌شود، نسبت به جهش‌هایی که در غیر این صورت به طور فاجعه‌باری مضر هستند، متحمل می‌شود. با تجمع چنین جهش هایی، روبیسکو عملاً به زیر واحد جدید خود معتاد شد.

در مجموع، این یافته‌ها در نهایت توضیح می‌دهند که چرا روبیسکو این جزء پروتئینی جدید را از زمانی که با آن روبرو شده نگه داشته است. گئورگ هوخبرگ، رهبر گروه تحقیقاتی ماکس پلانک، توضیح می‌دهد: این واقعیت که این ارتباط تا کنون درک نشده بود، اهمیت تجزیه و تحلیل تکاملی را برای درک بیوشیمی که زندگی را در اطراف ما به پیش می‌برد، برجسته می‌کند.

تاریخچه زیست مولکول‌هایی مانند روبیسکو می‌تواند به ما چیز‌های زیادی در مورد اینکه چرا آن‌ها به شکل امروزی هستند به ما بیاموزد؛ و هنوز بسیاری از پدیده‌های بیوشیمیایی وجود دارند که ما واقعاً هیچ ایده‌ای درباره تاریخچه تکامل آن‌ها نداریم؛ بنابراین زمان بسیار هیجان انگیزی برای تبدیل شدن به یک بیوشیمی دان تکاملی است: تقریباً کل تاریخ مولکولی سلول هنوز در انتظار کشف است.

سفر‌های علمی به گذشته می‌تواند بینش‌های ارزشمندی را برای آینده ارائه دهد

توبیاس ارب، مدیر ماکس پلانک می‌گوید: این مطالعه همچنین پیامد‌های مهمی برای بهبود فتوسنتز دارد: تحقیقات ما به ما آموخت که تلاش‌های سنتی برای بهبود روبیسکو ممکن است در مکان اشتباهی بوده باشد: برای سال‌ها، تحقیقات صرفاً بر روی تغییر اسید‌های آمینه متمرکز بود. در خود روبیسکو برای بهبود آن. کار ما اکنون نشان می‌دهد که افزودن اجزای پروتئینی کاملاً جدید به آنزیم می‌تواند مولدتر باشد و ممکن است مسیر‌های تکاملی غیرممکن را باز کند. این زمین ناشناخته برای مهندسی آنزیم است.