Обнаружена «недостающая связь» в эволюционной истории фиксирующего углерод белка рубиско
Учёные обнаружили древнюю форму рубиско — самого распространённого фермента на Земле, критически важного для жизни.
Новая форма рубиско, найденная у ранее неизвестных микробов из окружающей среды, даёт представление об эволюции фотосинтезирующих организмов, лежащих в основе пищевых цепочек планеты.
«Рубиско — основной двигатель производства пищи, поскольку он может брать CO2 из атмосферы и фиксировать его в сахар для использования растениями и другими фотосинтезирующими организмами», — сказал Даг Банда. «Это также один из старейших ферментов, фиксирующих углерод на планете».
Форма I рубиско, которая есть у растений, водорослей и цианобактерий, имеет глубокую эволюционную историю, уходящую почти на 2,4 миллиарда лет назад к Великому кислородному событию, когда цианобактерии буквально преобразовали атмосферу Земли, насытив её кислородом в процессе фотосинтеза.
В исследовании, опубликованном в Nature Plants, Банда и его коллеги сообщают об открытии и характеристике ранее не описанной линии формы I рубиско — той, которая, как предполагают исследователи, отделилась от формы I рубиско до эволюции цианобактерий.
Новая линия, названная формой I' рубиско, была обнаружена с помощью метагеномного анализа образцов окружающей среды и синтезирована в лаборатории. Она даёт исследователям новое представление о структурной эволюции формы I рубиско.
«Это могло быть тем, как выглядел рубиско до появления кислорода более 2,4 миллиарда лет назад», — отметил Патрик Ши.
Невидимый мир
Форма I рубиско — это гексадекамер, состоящий из восьми основных крупных молекулярных субъединиц и восьми малых субъединиц сверху и снизу. Другие функциональные формы рубиско существуют у бактерий и микроорганизмов домена Archaea. Однако именно форма I отвечает за подавляющее большинство фиксации углерода на Земле.
Соавтор исследования профессор Джилл Банфилд обнаружила форму I' рубиско после метагеномного анализа проб грунтовых вод. Используя предоставленные гены и генетические последовательности, Банда и Ши успешно экспрессировали форму I' рубиско в лаборатории с помощью E. coli.
Для изучения структуры фермента учёные использовали комбинацию методов:
- Рентгеновская кристаллография (Advanced Light Source, Беркли) для получения изображений с атомарным разрешением.
- Малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) на линии SIBYLS (ALS) для захвата изменений структуры фермента в растворе в разных состояниях активности.
«Наши методы действительно работали рука об руку, чтобы показать, как ведёт себя этот новый, необычный рубиско в реальных физиологических условиях», — сказал биофизик Михаэль Хаммел.
Исследования показали, что, как и форма I, форма I' рубиско построена из восьми крупных субъединиц. Однако у неё нет малых субъединиц, которые ранее считались необходимыми для её функции фиксации углерода.
Исследователи полагают, что форма I' рубиско представляет собой недостающее звено в эволюционной истории структуры формы I рубиско.
«Открытие октамерного рубиско, который формируется без малых субъединиц, позволяет нам задавать вопросы о том, как могла бы выглядеть жизнь без функциональности, обеспечиваемой малыми субъединицами», — сказал Банда.