Hacknutí fotosyntézy pro záchranu lidstva  
Stanou se tabáky s klíčovým fotosyntetickým enzymem od sinice odpovědí na tradiční obavy z hladomorů?

 

Zvětšit obrázek
Rubisco, kriticky významný nemotora. Kredit: Tabita et. al. (2008).

Vymřeme hlady? Co paměť sahá, vždycky se objevovaly stesky a obavy z nedostatku jídla, v posledních staletích vyšperkované představou, že je lidí moc. Anebo že jich bude moc, protože příliš rychle přibývají. Poslední dobou už tahle nesympatická móda poněkud opadala, zcela čerstvě se ale bohužel opět hlásí o slovo pesimistickým článkem ve Science od Patricka Gerlanda a spol., který Bayesovskou statistikou předpovídá pro rok 2100 devět a možná i dvanáct miliard lidí. Doporučovaným řešením v předtuše katastrofálního hladomoru pak podle všeho bývá nemnožit se a kdyby to nestačilo, tak nejspíš i nejíst. Naštěstí jako druh nemáme příliš v povaze nechat se bezmocně unášet okolnostmi. Na zoufalství je vždycky dost času a do té doby s tím můžeme zkusit něco konstruktivního udělat. Možnosti tu rozhodně jsou.

 

Maureen Hanson. Kredit: Cornell University.


Rostliny jsou sice podivuhodné, barevné a taky voní, neznamená to ale, že jsou dokonalé ve všech směrech. Zvídaví biologové už dávno znají celou řadu jejich slabin, které jim rozmanitým způsobem znepříjemňují život. A na tyhle slabiny mohou cílit bioinženýři, kteří se snaží rostliny vylepšit. Aby lépe rostly, plodily a vůbec abychom měli z jednoho hektaru půdy víc jídla.


Jednu z naprosto klíčových slabin rostlin představuje dechberoucí enzym Rubisco (ribuloza-1,5-bisfosfát-karboxyláza/oxygenáza. Je to fenomén, to bez debaty. Prý jde o nejrozšířenější protein na planetě. Když si rozsekáme list a vylovíme z něho všechny proteiny, tak Rubisco bude tvořit až polovinu. To už je docela síla. Jak jistě každý ví, Rubisco zodpovídá za nesmírně významný krok fotosyntézy, totiž lapání oxidu uhličitého. Bez něho by ve fotosyntéze jaksi scházel uhlík. Jenže, tahle sláva enzymu Rubisco má poněkud hořkou příchuť. Potíž je v tom, že Rubisco je totální břídil.


V jeho případě je těžké se oprostit od emocí. Jen těžko bychom hledali enzym, který svou práci dělá hůř, než nešťastný Rubisco. Právě proto ho je v rostlinách takové množství. Proto, aby fotosyntéza vůbec mohla fungovat. Rubisco je v lapání oxidu uhličitého příšerně pomalý a navíc ještě podstatnou část uloženého uhlíku vypustí zase pryč. Nechali by jste si ve firmě takového zoufalce? Někteří odborníci se domnívají, že sofistikovanými hrátkami s tímhle jediným enzymem a zvyšováním koncentrace oxidu uhličitého nad zemědělskými plochami můžeme zvýšit výnos základních plodin, jako je rýže nebo pšenice, až o 60 procent.

 

Zvětšit obrázek
3D model enzymu Rubisco. Kredit: ARP, Wikimedia Commons.


Genetická inženýrka Maureen Hansonová z newyorské Cornellovy univerzity v Ithace a její kolegové se už na to podle všeho nemohli dívat a vložili do rostlin tabáku (Nicotiana tabacum) gen kódující rychlejší typ enzymu Rubisco. Ten si vypůjčili z bakterie, konkrétně sinice Synechococcus elongatus. Části experimentálních rostlin tabáku ještě přidali bakteriální chaperon RbcX, který by měl zajistit správné prostorové poskládání syntetizovaného enzymu Rubisco, aby fungoval co nejlépe; a další části rostlin zase bakteriální protein  CcmM35, který u sinic tvoří s enzymem Rubisco makromolekulární komplexy.


Dopadlo to úžasně, rostliny obou linií vylepšených tabáků fotosyntetizovaly se sinicovou variantou enzymu Rubisco a zároveň také dělaly z oxidu uhličitého cukr v obou případech rychleji, než běžný tabák. Výzkum otištěný vNature okamžitě vzbudil pozornost a ze světa přilétají nadšené ohlasy. Donald Ort z Illinojské univerzity v Urbana-Champaign ho vítá jako důkaz hypotézy, že rychlejší Rubisco vytvoří větší úrodu. Hansonová k tomu skromně poznamenává, že hrátky s Rubiscem jsou teprve v počátcích.

 

Zvětšit obrázek
Karboxyzómy. Kredit: Yeates et al., Wikimedia Commons.


Je to totiž celé komplikované. Sinicový Rubisco je sice rychlejší, nežli Rubisco tabáku, zároveň ale ochotněji reaguje s kyslíkem a ztrácí tím získaný uhlík. Sinice tuhle vadu na kráse svého klíčového enzymu řešily vytvořením speciálních organel zvaných karboxyzómy, které dovedou hromadit molekuly s uhlíkem. S jejich pomocí obklopí plýtvající Rubisco prostředím s vysokým obsahem oxidu uhličitého a tím mu znemožní pokukovat po kyslíku. Vylepšené tabáky Hansonové a spol. tudíž musejí růst ve skleníku s vysokým obsahem oxidu uhličitého. Důvtipné řešení ale na sebe nejspíš nenechá dlouho čekat. Tým Hansonové už intenzivně pracuje na vývoji rostlin tabáku s karboxyzómy. A kdyby se to nepovedlo hned, intuice napovídá, že o nedostatek oxidu uhličitého se zatím strachovat nemusíme.

 

 

Literatura

Nature News 17. 9. 2014, Nature 513: 547-550., Wikipedia (RuBisCo, Carboxysome).

Datum: 27.09.2014 15:04
Tisk článku

Karel IV. Pán světa - Ledecký Jonáš, Pospíšil Martin, Namai Matyáš, Ležák Zdeněk
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 399 Kč
cena: 339 Kč
Karel IV. Pán světa
Ledecký Jonáš, Pospíšil Martin, Namai Matyáš, Ležák Zdeněk

Diskuze:

jeste slozitejsi..

Roman Sobotka,2014-09-28 09:40:27

Citovana prace v Nature je prulomova tim, ze se podarilo ziskat rostliny, ktere pouzivaji sinicove Rubisco. Krome samotnych podjednotek Rubisca bylo nutne pridat nektere dalsi sinicove geny, aby to fungovalo. Je to ale stale ciste akademicka prace, nejake zvysovani urody bych zatim nevytruboval.

Karboxyzomy sinic obsahuji vedle Rubisca dalsi enzym, ktery premenuje rozpusteny bikarbonat na CO2 a nakonec samotna obalka karboxyzomu je pomerne sofistikovana struktura. Slozeni karboxyzomu do funkcniho celku bude velmi pravdepodobne vyzadovat radu pomocnych proteinu ( assembly faktory) a ty zatim nejsou popsane. Je nekolik dalsich strategii, jak koncentrovat CO2 v okoli Rubisca (krome C4 systemu treba pyrenoid ras) a az budoucnost ukaze, co bude nejvice schudne.

Odpovědět

Je to složitější.

jaroslav mácha,2014-09-27 23:19:59

Při současné koncentraci CO2 je reakce katalyzována enzymem Rubisko poblíž rovnováhy- ta nastává při ca 70 ppm CO2. Při nižší koncentraci CO2 běží reakce opačným směrem, takže se CO2 uvolňuje. Reakční rovnováha je dána thermodynymicky, obsahem energie substrátů a jejich koncentrací. Ani větší množství, ani vyšší kvalita enzymu (tj. velikost aktivační energie) rovnováhu nemění. Jediná cesta jak zrychlit fotosyntézu je zvýšení koncentrace CO2. U vyšších rostlin se to děje C4 metabolizmem a neprodyšným prostorem kolem cév, u sinic karboxyzomy. Přenést tvorbu karboxyzomů do vyšších rostlin by mohlo být jednodušší než přenést morfogenezi uzavřených prostor kolem cév.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace