Bagaimana bakteri membangun mesin fotosintesis yang sangat efisien

Para peneliti menghadapi masa depan dengan populasi yang lebih besar dan iklim yang lebih tidak pasti sedang mencari cara untuk meningkatkan hasil panen, dan mereka mencari bakteri fotosintetik untuk solusi rekayasa.

Dalam Journal of Biological Chemistry , tim peneliti Kanada melaporkan bagaimana cyanobacteria menjadi salah satu langkah paling boros dalam fotosintesis. Studi tersebut menyelidiki perakitan karboksisom di mana bakteri memusatkan karbon dioksida, meningkatkan efisiensi enzim penting yang disebut RubisCO.

"Pada dasarnya semua yang kita makan dimulai dengan RubisCO," kata Matthew Kimber, seorang profesor di Universitas Guelph di Ontario, Kanada, dan penulis senior pada makalah baru-baru ini.

Enzim, yang terbuat dari 16 subunit protein , sangat penting untuk fotosintesis. Dengan menggunakan energi yang ditangkap dari cahaya, ia menggabungkan karbon dioksida ke dalam molekul organik yang kemudian digunakan tanaman untuk membangun gula baru. Sayangnya, ini tidak terlalu efisien. Atau, dari sudut pandang Kimber, "RubisCO memiliki tugas yang sangat tidak berterima kasih."

Enzim berevolusi di dunia kuno di mana karbon dioksida biasa ditemukan dan oksigen langka. Akibatnya, tidak terlalu pilih-pilih dalam membedakan kedua gas tersebut. Sekarang setelah tabel atmosfer berubah, RubisCO sering kali secara tidak sengaja menangkap oksigen, menghasilkan senyawa tak berguna yang kemudian harus diinvestasikan energi ekstra oleh pabrik untuk mendaur ulang.

Dibandingkan dengan tanaman, cyanobacteria membuat sedikit kesalahan seperti itu. Ini karena bakteri mengumpulkan RubisCO-nya ke dalam benda padat yang disebut karboksisom. Bakteri memompa bikarbonat (CO2 terhidrasi sederhana) ke dalam sel; begitu masuk ke karboksisom, enzim mengubah bikarbonat menjadi karbon dioksida. Karena karboksisom tidak dapat keluar melalui cangkang protein yang mengelilingi karboksisom, karboksisom menumpuk hingga konsentrasi tinggi, membantu RubisCO menghindari kesalahan yang merugikan.

Minat Kimber dalam karboksisom terutama dalam memahami logika organisasi mereka. "Mereka sebenarnya adalah mesin yang sangat rumit," jelasnya. "Cyanobacterium membuat sebelas atau lebih protein yang tampak normal, dan ini entah bagaimana mengatur dirinya sendiri menjadi mega-kompleks yang mengatur dirinya sendiri yang dapat melebihi ukuran sel kecil."

Salah satu trik karboksisom yang paling mengesankan adalah perakitan sendiri, yang ingin dipahami oleh lab Kimber. Mereka melihat protein yang disebut CcmM, yang mengkoreksi enzim RubisCO menjadi karboksisom baru. Mereka tahu bahwa bagian CcmM sangat mirip dengan subunit RubisCO — begitu banyak, pada kenyataannya, para peneliti menduga bahwa cyanobacteria purba awalnya menciptakan CcmM dengan menduplikasi gen RubisCO. Kebanyakan ilmuwan di bidang ini percaya bahwa CcmM mengikat enzimdengan merebut tempat subunit itu. Tetapi ketika lab Kimber melihat secara mendetail pada CcmM, menggunakan teknik biofisika untuk mengamati struktur dan ikatan protein, hasilnya menunjukkan bahwa kebijaksanaan yang diterima salah. Benar, CcmM memiliki bentuk yang mirip dengan subunit RubisCO kecil. Tetapi kompleks yang dibentuknya masih mencakup 8 subunit kecil, yang berarti bahwa alih-alih mencuri tempat dari subunit RubisCO, CcmM harus mengikat tempat lain sama sekali.

"Ini sangat aneh dari perspektif biologis, karena jika CcmM muncul dengan menduplikasi subunit kecil, hampir pasti aslinya terikat dengan cara yang sama," kata Kimber. "Pada titik tertentu, itu pasti berevolusi untuk memilih situs pengikatan baru."

Para peneliti juga menemukan bahwa penaut antara domain pengikat di CcmM cukup pendek sehingga "alih-alih membungkus RubisCO, ia mengikat (enzim individu) bersama-sama seperti manik-manik pada tali. Dengan beberapa penaut semacam itu yang mengikat setiap RubisCO secara acak, ia menghubungkan semuanya menjadi bola besar ini; Anda membungkusnya dengan cangkang, dan ini kemudian menjadi karboksisom. "

Para ilmuwan di universitas yang berbeda melaporkan musim gugur lalu bahwa mereka telah berhasil membuat tanaman tembakau dengan karboksisom yang telah dilucuti di dalam kloroplasnya. Tanaman tersebut tidak tumbuh dengan baik, dan penulis menyimpulkan bahwa mereka telah menghilangkan terlalu banyak komponen karboksisom; meskipun itu bisa dibangun di kloroplas, itu adalah hambatan pada tanaman, bukan bantuan. Memiliki pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana protein seperti CcmM berkontribusi pada konstruksi dan fungsi karboksisom dapat membantu insinyur biologi memanfaatkan efisiensi karboksisom pada generasi berikutnya dari tanaman rekayasa .