Возрождение ферментов возрастом в миллиард лет показывает, как фотосинтез адаптировался к повышению уровня кислорода

 Центральный биокатализатор фотосинтеза, Рубиско, является самым распространенным ферментом на Земле. Реконструировав ферменты возрастом миллиард лет, команда исследователей Макса Планка расшифровала одну из ключевых адаптаций раннего фотосинтеза. Их результаты, опубликованные в журнале Science, не только дают представление об эволюции современного фотосинтеза, но и предлагают новые импульсы для его улучшения.

Современная жизнь полностью зависит от фотосинтезирующих организмов, таких как растения и водоросли, которые улавливают и преобразуют CO2. В основе этих процессов лежит фермент под названием Rubisco, который улавливает более 400 миллиардов тонн CO2 ежегодно. Организмы, живущие сегодня, производят его в ошеломляющих количествах: масса Рубиско на нашей планете превышает массу всех людей. Чтобы взять на себя такую ​​доминирующую роль в глобальном углеродном цикле, Rubisco пришлось постоянно приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Используя комбинацию вычислительных и синтетических подходов, группа из Института наземной микробиологии им. Макса Планка в Марбурге, Германия, в сотрудничестве с Университетом Сингапура успешно воскресила и изучила ферменты возрастом миллиард лет в лаборатории. В этом процессе, который они называют «молекулярной палеонтологией», исследователи обнаружили, что вместо прямых мутаций в активном центре совершенно новый компонент подготавливает фотосинтез к адаптации к повышению уровня кислорода.

Раннее замешательство Рубиско

Rubisco является древним: он появился примерно 4 миллиарда лет назад в процессе первичного метаболизма до появления кислорода на Земле. Однако с изобретением фотосинтеза, производящего кислород, и повышением уровня кислорода в атмосфере фермент начал катализировать нежелательную реакцию, в которой он ошибочно принимает O2 за CO2 и производит метаболиты, токсичные для клетки. Этот запутанный спектр субстрата до сих пор оставляет рубцы у Rubisco и ограничивает эффективность фотосинтеза. Несмотря на то, что Rubiscos, развившиеся в кислородсодержащих средах, со временем стали более специфичными в отношении CO2, ни один из них не смог полностью избавиться от реакции захвата кислорода.

Молекулярные детерминанты повышенной специфичности СО2 в Rubisco остаются в значительной степени неизвестными. Однако они представляют большой интерес для исследователей, стремящихся улучшить фотосинтез. Интересно, что те Rubiscos, которые демонстрируют повышенную специфичность к CO2, задействовали новый белковый компонент с неизвестной функцией. Предполагалось, что этот компонент участвует в увеличении специфичности СО2, однако истинную причину его возникновения по-прежнему трудно определить, поскольку он уже эволюционировал миллиарды лет назад.

Изучение эволюции путем воскрешения древних белков в лаборатории

Чтобы понять это ключевое событие в эволюции более конкретных видов Рубиско, сотрудники Института наземной микробиологии им. Макса Планка в Марбурге и Наньянского технологического университета в Сингапуре использовали статистический алгоритм для воссоздания форм Рубиско, существовавших миллиарды лет назад, до того, как уровень кислорода начал расти. подниматься. Команда под руководством исследователей Макса Планка Тобиаса Эрба и Георга Хохберга воскресила эти древние белки в лаборатории, чтобы изучить их свойства. В частности, ученые задавались вопросом, имеет ли новый компонент Rubisco какое-либо отношение к эволюции более высокой специфичности.

Ответ был неожиданным, как объясняет докторант Лука Шульц: «Мы ожидали, что новый компонент каким-то образом напрямую исключит кислород из каталитического центра Рубиско. Этого не произошло. Вместо этого эта новая субъединица, похоже, действует как модулятор эволюции: рекрутирование субъединица изменила эффект, который последующие мутации оказали на каталитическую субъединицу Рубиско. Ранее несущественные мутации внезапно оказали огромное влияние на специфичность, когда появился этот новый компонент. Кажется, что наличие этой новой субъединицы полностью изменило эволюционный потенциал Рубиско».

Зависимость фермента от своей новой субъединицы

Эта функция «эволюционного модулятора» также объясняет еще один загадочный аспект нового белкового компонента: Rubisco, включающие его, полностью зависят от него, хотя другие формы Rubisco могут прекрасно функционировать и без него. Тот же эффект модуляции объясняет, почему: при связывании с этим небольшим белковым компонентом Rubisco становится устойчивым к мутациям, которые в противном случае были бы катастрофически вредными. С накоплением таких мутаций Рубиско фактически пристрастился к своей новой субъединице.

В целом результаты наконец объясняют причину, по которой Рубиско хранил этот новый белковый компонент с тех пор, как он с ним столкнулся. Руководитель исследовательской группы Макса Планка Георг Хохберг объясняет: «Тот факт, что эта связь не была понята до сих пор, подчеркивает важность эволюционного анализа для понимания биохимии, которая управляет жизнью вокруг нас. такие, какие они есть сегодня. И есть еще так много биохимических явлений, об истории эволюции которых мы действительно не знаем. Так что это очень захватывающее время, чтобы быть эволюцией биохимик: почти вся молекулярная история клетки еще ждет своего открытия».

Научные путешествия в прошлое могут дать бесценную информацию для будущего

Исследование также имеет важные последствия для того, как можно улучшить фотосинтез, говорит директор Max Planck Тобиас Эрб: «Наше исследование показало нам, что традиционные попытки улучшить Rubisco, возможно, искали не в том месте: в течение многих лет исследования были сосредоточены исключительно на изменении аминокислот. в самом Rubisco, чтобы улучшить его. Наша работа теперь предполагает, что добавление совершенно новых белковых компонентов к ферменту может быть более продуктивным и может открыть невозможные пути эволюции. Это неизведанная земля для инженерии ферментов».

Источник