Wissenschaftler entdecken den Schlüssel zur Züchtung „kohlenstoffhungriger“ Pflanzen mit großem Appetit

Die Entdeckung, wie ein essentielles Enzym „versteckt im Bauplan der Natur“ funktioniert, wirft ein neues Licht darauf, wie Zellen Schlüsselprozesse der Kohlenstofffixierung steuern, einen grundlegenden Prozess für das Leben auf der Erde.

Die Entdeckung von Wissenschaftlern der Australian National University (ANU) und der University of Newcastle (UoN) könnte dazu beitragen, klimaresistente Pflanzen zu entwickeln, die Kohlendioxid effektiver aus der Erdatmosphäre aufnehmen und so zur Produktion von mehr Nahrungsmitteln beitragen können .

Die Studie, veröffentlicht in Wissenschaftler machen Fortschrittedemonstriert eine bisher unbekannte Funktion eines Enzyms namens Carboxysomale Carboanhydrase (CsoSCA), das in Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, vorkommt, um die Fähigkeit von Mikroorganismen zu maximieren, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu extrahieren.

Cyanobakterien sind allgemein für ihre giftigen Blüten in Seen und Flüssen bekannt. Doch diese kleinen blaugrünen Insekten sind weit verbreitet und leben auch in den Weltmeeren.

Obwohl sie eine Gefahr für die Umwelt darstellen können, bezeichnen Forscher sie als „winzige Kohlenstoff-Superhelden“. Durch den Prozess der Photosynthese spielen sie eine wichtige Rolle bei der jährlichen Bindung von etwa 12 % des weltweiten Kohlendioxids.

Erstautor und Ph.D. Der Forscher Sacha Pulsford von der ANU beschreibt, wie diese Mikroorganismen bemerkenswert effizient Kohlenstoff einfangen.

„Im Gegensatz zu Pflanzen verfügen Cyanobakterien über ein System namens Kohlendioxid-Konzentrationsmechanismus (CCM), das es ihnen ermöglicht, Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu binden und ihn viel schneller als Pflanzen und Standard-Nutzpflanzenarten in Zucker umzuwandeln“, sagte Frau Pulsford.

Das Herzstück der CCM sind große Proteinkompartimente, sogenannte Carboxysomen. Diese Strukturen sind für die Bindung von Kohlendioxid verantwortlich und beherbergen CsoSCA und ein weiteres Enzym namens Rubisco. Die Enzyme CsoSCA und Rubisco arbeiten im Einklang und demonstrieren die hocheffiziente Natur von CCM. CsoSCA erzeugt eine hohe lokale Konzentration von Kohlendioxid im Carboxysom, das Rubisco dann verschlingen und in Zucker umwandeln kann, den die Zelle essen kann.

Der Hauptautor Dr. Ben Long von der UoN sagte: „Bisher wussten Wissenschaftler nicht genau, wie das CsoSCA-Enzym kontrolliert wird. Unsere Studie konzentrierte sich auf die Lösung dieses Rätsels, insbesondere bei einer großen Gruppe von Cyanobakterien, die auf der ganzen Welt vorkommen. Was wir entdeckten, war völlig unerwartet. .

„Das CsoSCA-Enzym tanzt im Rhythmus eines anderen Moleküls namens RuBP, das es wie einen Schalter einschaltet. Stellen Sie sich Photosynthese wie ein Sandwich vor. Kohlendioxid aus der Luft ist die Füllung, aber eine photosynthetische Zelle muss das Brot liefern. Das ist RuBP Genauso wie man Brot braucht, um ein Sandwich zuzubereiten, hängt die Geschwindigkeit, mit der Kohlendioxid in Zucker umgewandelt wird, davon ab, wie schnell das RuBP zugeführt wird.

„Wie schnell das CsoSCA-Enzym Rubisco mit Kohlendioxid versorgt, hängt davon ab, wie viel RuBP vorhanden ist. Wenn genug vorhanden ist, wird das Enzym aktiviert. Wenn der Zelle jedoch RuBP fehlt, wird das Enzym deaktiviert, wodurch das System hochgradig abgestimmt und effizient ist.“ Das CsoSCA-Enzym war schon immer Teil des Bauplans der Natur und wartet darauf, entdeckt zu werden.

Wissenschaftler sagen, dass die Gestaltung von Nutzpflanzen, die Kohlendioxid effizienter einfangen und nutzen, einen enormen Aufschwung für den Agrarsektor bedeuten würde, da die Ernteerträge erheblich verbessert würden und gleichzeitig die Nachfrage nach Stickstoffdüngern und Bewässerungssystemen sinken würde. Es würde auch dafür sorgen, dass die globalen Ernährungssysteme widerstandsfähiger gegen den Klimawandel sind.

Frau Pulsford sagte: „Das Verständnis der Funktionsweise von CCM erweitert nicht nur unser Wissen über die natürlichen Prozesse, die für die Biogeochemie der Erde von grundlegender Bedeutung sind, sondern kann uns auch bei der Entwicklung nachhaltiger Lösungen für einige der größten Umweltherausforderungen der Welt helfen.“ »