Обнаружена недостающая связь в эволюционной истории фиксирующего углерод белка Rubisco
Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе обнаружили недостающее звено в эволюции фотосинтеза и фиксации углерода. Недавно открытая форма растительного фермента рубиско, существовавшая более 2,4 миллиарда лет назад, может дать новое представление об эволюции и селекции растений.
Рубиско — самый распространенный фермент на планете. Присутствуя в растениях, цианобактериях и других фотосинтезирующих организмах, он играет центральную роль в процессе фиксации углерода и является одним из старейших ферментов на Земле.
В исследовании, опубликованном 31 августа в Nature Plants, сообщается об обнаружении ранее неизвестного родственника формы I рубиско. Ученые предполагают, что он отделился от формы I рубиско до эволюции цианобактерий.
Новая версия, названная рубиско формы I-prime, была обнаружена при секвенировании генома образцов из окружающей среды и синтезирована в лаборатории. Она дает новое представление о структурной эволюции формы I рубиско.
Невидимый мир
Форма I рубиско отвечает за подавляющее большинство фиксации углерода на Земле. Однако другие формы рубиско существуют у бактерий и архей. Эти варианты различаются по форме, размеру и даже не имеют малых субъединиц, но все еще функционируют.
Соавтор исследования профессор Джилл Бэнфилд из Калифорнийского университета в Беркли обнаружила новый вариант рубиско после метагеномного анализа проб грунтовых вод. Этот метод позволяет изучать гены из окружающей среды без культивирования микроорганизмов.
«Мы почти ничего не знаем о том, какая микробная жизнь существует в мире вокруг нас, поэтому подавляющее большинство разнообразия оставалось невидимым», — сказала Бэнфилд.
Структура и эволюция
Исследователи успешно экспрессировали рубиско формы I-prime в лаборатории с использованием E. coli и изучили его молекулярную структуру.
Форма I рубиско состоит из восьми основных больших субъединиц и восьми малых субъединиц сверху и снизу. Рубиско формы I-prime также построен из восьми больших субъединиц, но не обладает малыми субъединицами, которые ранее считались необходимыми.
«Обнаружение октамерного рубиско, которое формируется без малых субъединиц, позволяет нам задавать эволюционные вопросы о том, как выглядела бы жизнь без функциональности, обеспечиваемой малыми субъединицами», — сказал ведущий автор Даг Банда.
По словам исследователей, форма I-prime рубиско представляет собой недостающее звено в эволюционной истории. Поскольку форма I рубиско преобразует неорганический углерод в биомассу растений, дальнейшее изучение его структуры может привести к инновациям в сельскохозяйственном производстве.
«Понимание того, как фермент эволюционировал в течение миллиардов лет, может дать ключевое представление для будущих инженерных усилий, которые в конечном итоге могут повысить продуктивность фотосинтеза у сельскохозяйственных культур», — сказал Патрик Ших.