Karbondioksit Fiksasyonunun Sınırlarını Genişletmek için Yeni Çalışmalara Başlandı
Fotoğraf: TaCo yolunun anahtar enzimi olan glikolil-CoA karboksilaz (GCC) mühendisliği. GCC, doğal olarak oluşan bir propiyonil-CoA karboksilaz (WT) iskelesi üzerinde geliştirilmiştir. Rasyonel tasarım 50 kat geliştirilmiş M3 sürümüne yol açtı ve ek yüksek verimli tarama, 900 kat geliştirilmiş bir sürümün (M5) tanımlanmasını sağladı.
Fotorespirasyon veya fotosolunum, bitkilerde önceden sabitlenmiş CO2 salınımına yol açan, oldukça enerji tüketen bir süreçtir. Bu nedenle, bu metabolik sürecin tasarımı, mahsul veriminin iyileştirilmesi ve atmosferdeki sürekli artan CO2 seviyelerinin zorluğunun üstesinden gelmek için kilit bir yaklaşımdır. Almanya, Marburg’daki Max Planck Karasal Mikrobiyoloji Enstitüsü’nden Tobias Erb liderliğindeki araştırmacılar, sentetik bir fotorespiratuar baypas olan TaCo yolunu tasarlamayı başardılar. Doğaya yeni gelen bu metabolik bağlantı, CO2 fiksasyonu ve katma değerli bileşiklerin üretimi için yeni olanaklar sunuyor.
Tüm yaşam, CO2 ‘nin bitkiler aracılığıyla sabitlenmesine bağlıdır. Bununla birlikte, doğal fotosentezin enzimatik etkinliği sınırlıdır ve tarımsal üretkenlik ve CO2 fiksasyonu üzerinde bir sınır oluşturur. Fotorespirasyon, bitkilerde fotosentezin toksik bir yan ürünü olan 2-fosfoglikolatı geri dönüştüren bir detoksifikasyon sürecidir. Fotorespirasyon yüksek oranda enerji tüketir ve önceden sabitlenmiş CO2 salınımına yol açar, böylece fotosentetik dengeyi daha da azaltır.
Max Planck Karasal Mikrobiyoloji Enstitüsü’nden Tobias Erb liderliğindeki araştırmacılar, doğal fotorespirasyona bir alternatif oluşturan sentetik bir fotorespiratuar baypas geliştirdi. Ekip, Arren Bar-Even (Max Planck Moleküler Bitki Fizyolojisi Enstitüsü, Potsdam-Golm) grubuyla işbirliği içinde ve AB tarafından finanse edilen Future Agriculture projesi kapsamında, sözde tartronyl-CoA (TaCo) yolunu tasarladı. Bu tasarım doğal fotorespirasyondan çok daha kısadır ve 11 enzim yerine sadece 5 enzim gerektirir. TaCo yolunun belki de en büyük yararı, doğal fotorespirasyonda olduğu gibi CO2 ‘yi serbest bırakmak yerine sabitlemesidir. Sonuç olarak, TaCo yolu, bugüne kadar önerilen diğer tüm fotorespiratuar baypaslardan daha fazla enerji verimlidir.
TaCo yolunu inşa etmek, araştırmacıları hesaplama modelinden enzimatik mühendislik, mikro akışkan yüksek geçişli tarama, kriyo-EM teknolojisi yoluyla yeniyi açan doğaya yeni bir metabolik bağlantının başarılı bir laboratuvar uygulamasına yönlendiren bilimsel bir yolculuktu. CO2 fiksasyonu için olanaklar ve katma değerli bileşiklerin üretimi. Tobias Erb’in grubunun doktora sonrası araştırmacısı ve çalışmanın baş yazarı Marieke Scheffen, TaCo yolunu gerçekleştirmedeki ana zorluğun gerekli tüm enzimleri bulmak olduğunu söylüyor, bu benzer reaksiyonları gerçekleştiren enzimleri aramalarının ve ardından onlara istenen reaksiyonu gerçekleştirmeyi ‘öğretmek’ gerektiği anlamına geldiğini ekliyor.
Daha Verimli Enzimler
TaCo yolu için, başlangıçta gerekli reaksiyonları katalize edebilen bir miktar enzim bulundu. Bununla birlikte, düşük katalitik verimlilik gösterdiler, bu da doğal olarak oluşan enzimlere kıyasla oldukça yavaş oldukları anlamına geliyor. Araştırmacılar, özellikle fotorespirasyonu karbonu pozitif hale getiren katalizör olan TaCo yolunun temel enzimi olan glikolil-CoA karboksilazın (GCC) performansını artırmayı amaçladı.
Araştırmacılar, sentetik bir glikolil-CoA karboksilaz (GCC) oluşturmak için bir temel olarak enzimin moleküler bir modelini geliştirdiler. Enzimin farklı varyantları, amino asit kalıntılarını değiştirerek iskele olarak genellikle yağ asidi metabolizmasında yer alan doğal olarak oluşan bir propiyonil-CoA karboksilaza dayalı olarak yaratıldı. Bu rasyonel tasarım stratejisi, enzimin katalitik etkinliğinin glikolil-CoA ile 50 kat artmasına yol açtı.
Araştırmacılar enzimin performansını daha da geliştirmek için, Fransa’nın Bordeaux kentindeki Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi’nden (CNRS, CRPP) Jean-Christophe Baret grubuyla birlikte yüksek verimli bir mikro akışkan ekran geliştirdiler ve bu ekran binlerce sentetik varyantı taradı. Sonraki mikroplaka taramalarının iki turunda, glikolil-CoA ile neredeyse 900 kat daha fazla katalitik etkinlik gösteren bir enzim varyantı keşfedildi. Bu katalitik verimlilikle, GCC doğal olarak oluşan biyotine bağımlı karboksilazlar aralığında olduğunu, bu glikolil-CoA’ya neredeyse hiç aktivite göstermeyen bir enzimi doğal olarak evrimleşmiş enzimlerle karşılaştırılabilecek çok yüksek aktiviteye kadar tasarlayabildikleri anlamına geldiğini açıklıyor Marieke Scheffen.
Yüksek Çözünürlüklü Elektron Mikroskobu
Bu yeni geliştirilen katalizörün moleküler yapısı Martinsried (şimdi Marburg’da SYNMIKRO) Max Planck Biyokimya Enstitüsü’nden Jan ve Sandra Schuller ile bir başka işbirliği ile çözüldü. Araştırmacılar, 1.96 Å’luk bir atomik çözünürlükte son teknoloji kriyojenik elektron mikroskobu (kriyo-EM) uygulayarak kriyo-EM’nin sınırlarını zorladı.
Son olarak, sentetik GCC enzimi, laboratuvarda yapılan deneylerde TaCo yolunun diğer iki enzimi ile kombinasyon halinde işlevsel olduğunu kanıtladı ve böylece uygulanabilir bir karbon sabitleme yolu oluşturdu. Grup Lideri Tobias Erb, TaCo yolu sadece fotorespirasyon için umut verici bir alternatif olmadığını CETCH döngüsü gibi diğer sentetik CO2 fiksasyon döngüleri ile arayüzlenebileceğini de gösterebileceklerini, artık sentetik CO2 fiksasyonunu doğrudan merkezi metabolizmaya verimli bir şekilde bağlayabileceklerini ekliyor.
Bu, örneğin polietilen tereftalatın (PET) geri dönüşümü gibi bir dizi bilimsel olasılık sağlar. TaCo yolu, etilen glikolü (bir PET monomeri) doğrudan gliserata dönüştürmek için kullanılabilir, bu da onu biyokütle veya katma değerli bileşiklerin üretiminde kullanılabilir hale getirir. Bir sonraki adım, yeni geliştirilen yolun tüm potansiyelinden yararlanmak için laboratuvarda uygulamayı ilerletmek olacaktır.
Kaynakça: phys.org
