Группа исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе обнаружила недостающее звено в эволюции фотосинтеза и связывания углерода. Недавно открытая форма растительного фермента rubisco, возраст которой превышает 2,4 миллиарда лет, может дать новое представление об эволюции и размножении растений.
Рубиско - самый распространенный фермент на планете. Присутствуя в растениях, цианобактериях (также известных как сине-зеленые водоросли) и других фотосинтезирующих организмах, он играет центральную роль в процессе фиксации углерода и является одним из старейших ферментов, фиксирующих углерод на Земле..
"Это основной двигатель для производства пищи, поэтому он может брать CO2 из атмосферы и превращать его в сахар для использования растениями и другими фотосинтезирующими организмами. Таким образом, это основной движущий фермент для подачи углерода в жизнь", - сказал Дуг Банда, научный сотрудник лаборатории Патрика Ши, доцента биологии растений Колледжа биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе.
Форма I rubisco возникла более 2,4 миллиарда лет назад до Великого события оксигенации, когда цианобактерии преобразовали атмосферу Земли, производя кислород посредством фотосинтеза. Связь Рубиско с этим древним событием делает его важным для ученых, изучающих эволюцию жизни.
В исследовании, опубликованном 31 августа в Nature Plants, Банда и исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе, Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли сообщают об открытии ранее неизвестного родственника формы I rubisco, который, как они подозревают, отличается от форма I rubisco до эволюции цианобактерий.
Новая версия, названная формой I-prime rubisco, была обнаружена путем секвенирования генома образцов окружающей среды и синтезирована в лаборатории. Форма I-prime rubisco дает исследователям новое понимание структурной эволюции формы I rubisco, потенциально давая ключ к пониманию того, как этот фермент изменил планету.
Невидимый мир
Form I rubisco отвечает за подавляющее большинство фиксации углерода на Земле. Но другие формы рубиско существуют у бактерий и в группе микроорганизмов под названием археи. Эти варианты рубиско бывают разных форм и размеров, и даже в них отсутствуют небольшие субъединицы. Тем не менее, они все еще функционируют.
«Что-то важное для понимания того, как развивалась форма I rubisco, - это знание того, как развивалась малая субъединица», - сказал Ши. «Это единственная известная нам форма рубиско, которая образует октамерную сборку больших субъединиц».
Соавтор исследования профессор Джилл Бэнфилд из отдела наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли обнаружила новый вариант рубиско после проведения метагеномного анализа образцов подземных вод. Метагеномный анализ позволяет исследователям изучать гены и генетические последовательности из окружающей среды без культивирования микроорганизмов.
«Мы почти ничего не знаем о том, какая микробная жизнь существует в окружающем нас мире, поэтому подавляющее большинство разнообразия было невидимым», - сказал Бэнфилд. «Последовательности, которые мы передали в лабораторию Патрика, на самом деле получены из организмов, которые не были представлены ни в одной базе данных».
Банда и Ши успешно экспрессировали форму I-prime rubisco в лаборатории с использованием E. coli и изучили ее молекулярную структуру.
Форма I rubisco состоит из восьми основных крупных молекулярных субъединиц с восемью малыми субъединицами сверху и снизу. Каждая часть структуры важна для фотосинтеза и фиксации углерода. Как и форма I рубиско, форма I-prime рубиско построена из восьми больших субъединиц. Однако он не обладает малыми субъединицами, ранее считавшимися необходимыми.
«Открытие октамерного рубиско, который формируется без малых субъединиц, позволяет нам задать эволюционные вопросы о том, как выглядела бы жизнь без функциональности, придаваемой малыми субъединицами», - сказал Банда.«В частности, мы обнаружили, что ферменты формы I-prime должны были развивать усиленные взаимодействия в отсутствие малых субъединиц, что обеспечивало структурную стабильность в то время, когда атмосфера Земли быстро менялась».
По мнению исследователей, форма I-prime rubisco представляет собой недостающее звено в истории эволюции. Поскольку форма I rubisco превращает неорганический углерод в растительную биомассу, дальнейшие исследования его структуры и функциональности могут привести к инновациям в сельскохозяйственном производстве.
«Хотя существует значительный интерес к разработке «лучшего» rubisco, за десятилетия исследований было мало успехов», - сказал Ши. «Таким образом, понимание того, как фермент развивался на протяжении миллиардов лет, может дать ключевое представление о будущих инженерных усилиях, которые в конечном итоге могут повысить продуктивность фотосинтеза сельскохозяйственных культур».