Stigande temperaturer och kraftigare torka förkortar odlingssäsongerna i många delar av världen. Nu har svenska forskare kommit ett steg närmare att utveckla effektivare fotosyntes, ett arbete som på sikt kan anpassa grödor till ett förändrat klimat.  

Ett forskarlag vid KTH skapade och testade omkring 15 000 genetiskt modifierade varianter av bakteriellt Rubisco, ett enzym som hjälper organismer att omvandla koldioxid till material som behövs för tillväxt. Enligt Paul Hudson, professor i systembiologi vid KTH, fokuserade studien på bakteriellt snarare än växtbaserat Rubisco och sökte efter varianter som främjar bakteriers tillväxt.

Forskarna identifierade flera lovande varianter, samtidigt som de kartlade ett stort antal förändringar som inte tycktes fungera. Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Science Advances.

Rubisco beskrivs ofta som det viktigaste enzymet för livet på jorden. I både bakterier och växter är dess funktion nära kopplad till fotosyntesen. Med solljus som energikälla fångar Rubisco in koldioxid och omvandlar den till material som organismen kan använda för att bilda sockerarter och växa.

Trots sin centrala roll är enzymet förvånansvärt ineffektivt. Det arbetar långsamt och binder ibland syre i stället för koldioxid. Då måste växter förbruka energi för att återvinna de oönskade biprodukterna.

Även om studien fokuserade på ett bakteriellt Rubisco och inte växternas variant, ger den omfattande databasen över både framgångsrika och misslyckade mutationer en möjlig vägledning för utvecklingen av bättre enzymer. Resultaten kan hjälpa forskare att förbättra datormodeller som beskriver hur Rubisco reagerar på genetiska förändringar. På längre sikt kan kunskapen även bidra till forskning om växters Rubisco, men snabbväxande och klimatresistenta grödor kräver ytterligare tester i växtceller och hela växter.

Med hjälp av en särskilt utvecklad screeningplattform med hög kapacitet, där varje variant försågs med en kort DNA-märkning, kunde forskarna följa effektiviteten hos tusentals kandidatvarianter samtidigt, inklusive celler med både enskilda och kombinerade mutationer. Enligt Paul Hudson skulle metoden även kunna anpassas för andra metabola enzymer.

Forskarna valde att studera bakteriellt Rubisco eftersom enzymets enklare struktur gör det lätt att producera och testa i stor skala. Därigenom kan man identifiera principer för enzymdesign som senare kan prövas i växtenzymer och växtceller.

– Vissa bakteriella Rubisco-enzymer av form 2 bearbetar koldioxid snabbare än växternas enzym. Men de katalyserar också oxygeneringsreaktion lättare, vilket innebär att de är mindre selektiva för koldioxid. Vår idé var att ta dessa snabba Rubisco-enzymer och göra dem ännu snabbare, eller åtminstone minska deras oxygeneringshastighet samtidigt som en hög karboxyleringshastighet bibehålls, säger Paul Hudson.

Två av de mest lovande varianterna reagerade mindre med syre samtidigt som de behöll en användbar omsättning av koldioxid, även om båda uppvisade kompromisser när det gällde den totala effektiviteten i koldioxidbindningen. Forskarna såg också att mutationer som gav positiva effekter var för sig ofta slutade fungera när de kombinerades.

Forskargruppen utvärderade dessutom flera datormodeller som syftar till att förutsäga hur mutationer påverkar Rubisco. Modellerna visade sig vara mer tillförlitliga för enskilda mutationer än för kombinationer av mutationer.

– Detta visar att effekterna av mutationer i Rubisco är komplexa och svåra att förutsäga utan stora mängder experimentella data, säger Paul Hudson.  

Nästa steg blir att ytterligare minska oxygeneringsreaktion i de mest lovande varianterna och undersöka vilka delar av enzymet som hjälper det att skilja mellan koldioxid och syre. Forskarna testar också nya enzymer i växtceller och i cyanobakterier som producerar användbara kemikalier inom ramen för ett EU-finansierat projekt.

Vetenskaplig publicering:

“The fitness landscape of a form II rubisco in a photosynthetic bacterium guides engineering of oxygen tolerance”
https://doi.org/10.1126/sciadv.aee9222

BIld av Alexa