Воскрешение ферментов возрастом в миллиарды лет показало, как фотосинтез адаптировался к росту уровня кислорода

Команда исследователей из Института Макса Планка, реконструировав ферменты возрастом в миллиарды лет, расшифровала ключевые адаптации раннего фотосинтеза. Результаты, опубликованные в Science, дают представление об эволюции современного фотосинтеза и могут помочь в его улучшении.

В основе современных процессов улавливания и преобразования CO₂ у растений и водорослей лежит фермент Rubisco, ежегодно захватывающий более 400 миллиардов тонн CO₂. Его масса на планете превышает массу всего человечества. Чтобы играть доминирующую роль в глобальном углеродном цикле, Rubisco постоянно адаптировался к изменяющимся условиям окружающей среды.

Используя комбинацию вычислительных и синтетических методов, команда из Института Макса Планка наземной микробиологии в Марбурге (Германия) совместно с Университетом Сингапура успешно воскресила и изучила в лаборатории ферменты возрастом в миллиарды лет. В этом процессе, названном «молекулярной палеонтологией», исследователи обнаружили, что не прямые мутации в активном центре, а совершенно новый компонент подготовил фотосинтез к адаптации к повышению уровня кислорода.

Ранняя путаница Rubisco

Rubisco — древний фермент, появившийся около 4 миллиардов лет назад в бескислородной среде. С появлением кислородного фотосинтеза и ростом уровня O₂ в атмосфере фермент начал катализировать нежелательную реакцию, принимая O₂ за CO₂ и производя токсичные для клетки метаболиты. Эта путаница в субстратах сохраняется у Rubisco до сих пор и ограничивает эффективность фотосинтеза. Хотя Rubisco, эволюционировавшие в кислородной среде, со временем стали более специфичными к CO₂, ни один из них не смог полностью избавиться от реакции с кислородом.

Молекулярные детерминанты повышенной специфичности к CO₂ у Rubisco оставались в значительной степени неизвестными, но представляют большой интерес для исследователей, стремящихся улучшить фотосинтез. Интересно, что те формы Rubisco, которые демонстрируют повышенную специфичность, приобрели новый белковый компонент неизвестной функции. Подозревалось, что он участвует в увеличении специфичности, но истинная причина его появления оставалась неясной, так как это произошло миллиарды лет назад.

Изучение эволюции через воскрешение древних белков

Чтобы понять это ключевое событие, исследователи использовали статистический алгоритм для воссоздания форм Rubisco, существовавших миллиарды лет назад, до роста уровня кислорода. Команда под руководством Тобиаса Эрба и Георга Хохберга воскресила эти древние белки в лаборатории. Учёные задались вопросом, связано ли появление нового компонента с эволюцией более высокой специфичности.

Ответ оказался неожиданным. Докторант Лука Шульц поясняет: «Мы ожидали, что новый компонент каким-то образом напрямую исключит кислород из каталитического центра Rubisco. Этого не произошло. Вместо этого новая субъединица, по-видимому, действует как модулятор эволюции: её появление изменило эффект последующих мутаций в каталитической субъединице Rubisco. Ранее незначительные мутации внезапно стали оказывать огромное влияние на специфичность в присутствии этого нового компонента. Кажется, что он полностью изменил эволюционный потенциал Rubisco».

Зависимость фермента от новой субъединицы

Эта функция «эволюционного модулятора» также объясняет другой загадочный аспект: Rubisco, которые включили этот компонент, полностью от него зависят, хотя другие формы Rubisco прекрасно функционируют без него. Тот же модулирующий эффект объясняет почему: связавшись с этим малым белковым компонентом, Rubisco стал толерантным к мутациям, которые в ином случае были бы катастрофически вредными. Накопив такие мутации, Rubisco, по сути, стал зависим от своей новой субъединицы.

Эти выводы наконец объясняют, почему Rubisco сохранил этот новый белковый компонент с момента его появления. Георг Хохберг отмечает: «Тот факт, что эта связь не была понята до сих пор, подчеркивает важность эволюционного анализа для понимания биохимии жизни. История биомолекул, таких как Rubisco, может многому нас научить. И всё ещё существует множество биохимических явлений, эволюционная история которых нам неизвестна».

Научные путешествия в прошлое для будущего

Исследование также имеет важное значение для возможного улучшения фотосинтеза. Тобиас Эрб говорит: «Наша работа показала, что традиционные попытки улучшить Rubisco, возможно, искали не в том месте: годами исследования были сосредоточены исключительно на изменении аминокислот в самом ферменте. Наша работа теперь предполагает, что добавление совершенно новых белковых компонентов к ферменту может быть более продуктивным и открыть ранее невозможные эволюционные пути. Это неизведанная территория для инженерии ферментов».