Het belangrijkste eiwit op aarde

Zonder fotosynthese geen leven op aarde. Het proces is de basis van elke voedselketen, in zee en op het land en is de enige manier om uit zonlicht en anorganische vormen van koolstof (CO2) energierijke suikermoleculen te bouwen. De energie in het zonlicht wordt hierbij opgeslagen in speciale moleculen (ATP en NADPH), zodat die verder kan worden ingezet in biochemische reacties.

(Publiek domein)


Het inbouwen van koolstofdioxide uit de lucht gebeurt via de Calvincyclus. In deze serie biochemische reacties worden drie moleculen CO2 gekoppeld aan evenveel moleculen ribulose-bisfosfaat. Die breken in twee en vormen zo zes moleculen glyceraldehydefosfaat. Uit vijf van die moleculen worden weer drie moleculen ribulose-bisfosfaat gemaakt. De zesde molecule glyceraldehydefosfaat is de nettowinst van de hele reactiecyclus. Met dat glyceraldehydefosfaat als basis kan een plant verder bouwen aan alle andere moleculen die er nodig zijn in het metabolisme: de bouwstenen van eiwitten, DNA, vetten voor in membranen, opslagproducten, geurstoffen, …

Links: ATP (adenosinetrifosfaat), de molecule die energie doorheen de cel transporteert. Rechts: NADPH (nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat), de molecule die extra elektronen aanbiedt in reductiereacties in de cel.

 

De Calvincyclus.
Bewerkt van: Yikrazuul, Wikimedia, CC BY-SA 3.0

Het cruciale enzym is datgene, dat die koolstofdioxide vasthangt aan het ribulose-bisfosfaat. Het draagt de zeer prozaïsche naam ribulose-1,5-bisfosfaat-carboxylase/oxidase, afgekort RuBisCo. Zonder RuBisCo, geen plantencel en dus ook geen leven op aarde.

Dat alleen is al voldoende om het eiwit de titel te geven van “belangrijkste eiwit op aarde”. Maar daarnaast is het ook het eiwit dat het meest voorkomt op onze planeet. Het is namelijk niet het meest efficiënte enzym dat we kennen; het reageert niet enkel met koolstofdioxide in de lucht, maar ook met zuurstofgas. En daarvan zit er nog veel meer in de atmosfeer. Door de efficiëntie van RuBisCo te verhogen, zouden we een enzym kunnen maken dat veel meer CO2 uit de lucht kan wegvangen zonder dat de plant daarbij meer water verliest (zie figuur). In een periode van droogte en klimaatproblemen zou dat extreem belangrijk kunnen zijn.

 

Knutselen met RuBisCo

Om te kunnen spelen met de efficiëntie van dit enzym wou een team Duitse onderzoekers het RuBisCo laten aanmaken door transgene bacteriën (van de laboratoriumbacterie Escherichia coli). Niet dat dat zo gemakkelijk gegaan is. Om te beginnen is RuBisCo niet zomaar een eiwitje. Het is een vrij groot enzym (560 kDa of 560 000 gram per mol zwaar) dat bestaat uit 8 grote en 8 kleine onderdelen (subunits), respectievelijk de L (large, grote) en de S (small, kleine) subunits genoemd. Het is dus een complex geheel van verschillende eiwitten die elk op de juiste manier in mekaar moeten passen om het RuBisCo te laten functioneren. Het gen voor het kleine onderdeel zit dan nog in het DNA van de kern, en het gen voor het grote zit in het DNA gecodeerd van de chloroplast of bladgroenkorrel.

En het blijft niet bij die twee eiwitten. Maar liefst zeven extra genen staan bekend als belangrijk voor de juiste werking van het enzymcomplex. Bovendien is het nog niet eender welke versie er van elk gen gebruikt wordt bij het opbouwen van het complex. Het Duitse team gebruikte in eerste instantie de genen van de zandraket (Arabidopsis thaliana). Vervingen ze er enkele door de RuBisCo-genen uit tabak (Nicotiana tabacum), dan produceerden de transgene bacteriën plots veel minder RuBisCo. Gebruikten ze alle genvarianten uit tabak, dan lukte de aanmaak van RuBisCo veel beter.

 

Grote (L) en kleine (S) subunits samen vormen het RuBisCo-enzym. 
Publiek domein

 

Arabidopsis (links) en tabak (rechts).
links: Nina, Wikimedia, CC BY-SA 3.0 rechts: publiek domein

 

De onderzoekers zijn er uiteindelijk wel in geslaagd. Ze kunnen nu RuBisCo door transgene bacteriën laten aanmaken. .Dit opent de deur om efficiëntere versies van RuBisCo te kunnen ontwikkelen. Des te beter. Of we dat verbeterde enzym uiteindelijk weer in planten kunnen stoppen, is echter nog geen uitgemaakte zaak. Maar laten we wel wezen – de eerste horde is ondertussen genomen.

 

Bron: http://science.sciencemag.org/content/358/6368/1272.full 

Geplaatst door Geert op 26/01/2018 om 18:58