https://bezpecnostpotravin.cz/zrychleni-rubisco-jednoho-z-nejpomalejsich-enzymu-v-prirode/

Vydáno: 13. 10. 2025
Autor: BIOTRIN
https://bezpecnostpotravin.cz/files/2023/03/kukurice_v_orez-300x169.jpg 300w, https://bezpecnostpotravin.cz/files/2023/03/kukurice_v_orez-768x433.jpg 768w, https://bezpecnostpotravin.cz/files/2023/03/kukurice_v_orez-1536x866.jpg 1536w, https://bezpecnostpotravin.cz/files/2023/03/kukurice_v_orez-2048x1155.jpg 2048w" alt="" width="1024" height="577" class="wp-image-38475" style="box-sizing: border-box; height: auto; max-width: 100%; border: 0px; display: inline-block; vertical-align: bottom; contain-intrinsic-size: 3000px 1500px;" loading="lazy" decoding="async" />
Foto: Shutterstock

Vědci z MIT pomocí techniky kontinuální řízené evoluce na bakteriální platformě úspěšně identifikovali takové mutace, které by mohly zvýšit katalytickou účinnost enzymu RuBisCO až o 25 procent. Implementací této technologie by mohl být v některých plodinách upraven enzym RuBisCO, či jiné limitující kroky biochemických drah, což by potenciálně mohlo vést k drastickému zvýšení produktivity plodin.

Enzym RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfát-karboxylasa/oxygenasa) není pravděpodobně něčím, s čím by se většina z nás v literatuře potkávala dennodenně. A přeci, pro život na zemi v té podobě, jak jej známe, bychom jen stěží hledali důležitější enzym. RuBisCO katalyzuje první fixaci anorganického uhlíku při fotosyntéze, při kterém je atmosférický oxid uhličitý asimilován, přeměňován a inkorporován do organických molekul, které jsou pro veškerý život na Zemi nepostradatelné. Ačkoli RuBisCO bývá označováno za nejhojněji se vyskytující enzym na zemi, jsou jím katalyzované reakce pomalé a relativně neefektivní. Tento enzym může kromě CO2 reagovat také s O2. Pokud však dojde k okysličení, musí být enzym regenerován pomocí pro buňku energeticky náročných fotorespiračních procesů.

Zlepšení katalytické účinnosti RuBisCO a jeho rozlišování mezi CO2 a O2 je proto hlavním cílem rostlinných biologů a proteinových inženýrů, kteří se snaží zvýšit produktivitu fotosyntézy. Dosavadní výzkum se zaměřoval především na zlepšování stability a rozpustnosti RuBisCO, což mělo za následek pouze malé zvýšení jeho účinnosti. Většina těchto studií využívala techniku, při které dochází k náhodné mutaci přirozeně se vyskytujícího proteinu in vitro (mimo buňku) a následnému screeningu (pomocí PCR apod.) za účelem objevu nových, žádoucích vlastností. Tato metoda obvykle zavádí pouze jednu nebo dvě mutace do cílového genu. V minulých studiích s enzymem RuBisCO byla tato knihovna mutací poté zavedena do bakterií, které rostly rychlostí úměrnou jeho aktivitě. 

Výzkumníci z MIT však tuto technologii zdokonalili a značně zrychlili tím, že přesunuli řízenou evoluci do živých bakteriálních buněk. Jejich kontinuální in vivo platforma MutaT7 zavádí mutace s vysokou frekvencí přímo do hostitelského organismu a spojuje tyto mutace s výběrem v průběhu mnoha generací, což umožňuje experimentu odebírat mnohem více variant sekvencí než konvenční PCR a manuální screening. Vzhledem k tomu, že mutageneze a screening probíhají společně v buněčném prostředí, tato metoda také identifikuje varianty, které se skládají, sestavují a fungují za realistických intracelulárních podmínek, nikoli pouze v purifikovaných testech.

Tým z MIT začal experimentovat s RuBisCO z bakterií čeledi Gallionellaceae, tedy mikroorganismů přizpůsobených nikám chudým na kyslík, jejichž RuBisCO je již relativně rychlý. Tento bakteriální RuBisCO exprimovali v E. coli a udržovali kultury v atmosférickém kyslíku, aby vytvořili selekční tlak upřednostňující varianty, které fungují dobře i přes O2. Po šesti kolech in vivo evoluce vědci získali tři varianty RuBisCO s aminokyselinovými substitucemi v blízkosti aktivního místa enzymu; tyto substituce zřejmě posouvají kinetickou rovnováhu reakce směrem od okysličení, tedy snižují tendenci enzymu reagovat s kyslíkem a posouvají jej směrem k produktivní karboxylaci.

U mnoha plodin se odhaduje, že fotorespirace odvádí řádově třicet procent světelné energie zachycené listem do regenerace a opravy, takže jakákoli výrazná změna ve vnitřní preferenci RuBisCO vůči CO2 by se za správných podmínek mohla promítnout do měřitelných zisků v biomase nebo výnosu.

Celá technologie je zatím spíše průkaz konceptu, převedení laboratorních výsledků z bakteriálních testovacích prostředí do plodin připravených pro pole není triviální. Chloroplasty rostlin jsou od bakteriálního modelu velmi odlišné a procesy, jako je skládání proteinů, zde probíhají mnohem komplexněji. V důsledku toho musí být prospěšné mutace aktivního místa objevené v bakteriích dále spojeny se strategiemi, které zajistí správnou expresi, skládání a regulaci uvnitř chloroplastů rostlin, aby upravený enzym zůstal výhodný. K potvrzení výhod v oblasti výnosů a odhalení případných kompromisů mezi odrůdami bude potřeba provést ještě mnoho polních pokusů.

Autor článku: Václav Peroutka

Zdroje:

Zdroj článku: BIOTRIN