Yeşil Devrim Başladı mı? MIT Fotosentezi Optimize Etti
MIT bilim insanları, fotosentezi başlatan ancak düşük performansıyla bilim insanlarını uzun süredir hayal kırıklığına uğratan rubisco enzimini yeniden tasarladı.
Sürekli yönlendirilmiş evrim adı verilen son teknoloji bir teknik kullanarak, enzimin verimliliğini %25’e kadar artırdılar. Laboratuvarda geliştirilen bu rubisco oksijen müdahalesine karşı dirençlidir ve daha hızlı büyüyen mahsullerin, daha verimli bitkilerin ve dünya çapında tarımsal üretkenlikte potansiyel bir sıçramanın önünü açabilir.
Rubisco’nun Yönlendirilmiş Evrim Yoluyla Güçlendirilmesi
Fotosentez sırasında rubisco adı verilen bir enzim, karbondioksitin organik bileşiklerle birleşerek şeker oluşturması gibi önemli bir reaksiyonu katalize eder. Ancak, Dünya’da en bol bulunan enzim olduğuna inanılan rubisco, fotosentezde yer alan diğer enzimlere kıyasla çok verimsizdir.
MIT kimyagerleri, düşük oksijenli bir ortamda yaşayan bakterilerde bulunan rubisco’nun bir versiyonunu büyük ölçüde geliştirebileceklerini gösterdiler. Yönlendirilmiş evrim olarak bilinen bir süreci kullanarak, rubisco’nun katalitik verimliliğini yüzde 25’e kadar artırabilecek mutasyonlar belirlediler.
Araştırmacılar şimdi tekniklerini, bitkilerde fotosentez oranlarını artırmaya yardımcı olmak için kullanılabilecek rubisco formlarına uygulamayı planlıyorlar, bu da potansiyel olarak mahsul verimini artırabilir.
MIT’de 1942 Sınıfı Kimya Profesörü olan Matthew Shoulders, “Bence bu, bir rubisco’nun enzimatik özelliklerinin başarılı bir şekilde iyileştirilmesinin zorlayıcı bir göstergesidir ve diğer rubisco formlarının mühendisliği için çok fazla umut barındırmaktadır” diyor.
Shoulders ve Kimya Bölümü’nde araştırmacı bilim adamı olan Robert Wilson, Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayınlanan yeni çalışmanın kıdemli yazarlarıdır. MIT yüksek lisans öğrencisi Julie McDonald ise makalenin başyazarı.
MIT kimyagerleri, fotosentezde kilit bir enzim olan rubisco’nun bakteriyel bir versiyonunun verimliliğini büyük ölçüde artırabileceklerini gösterdiler. Katalitik verimliliğini yüzde 25’e kadar artırabilecek mutasyonlar belirlediler. Kredi: Jose-Luis Olivares, MIT.
Verimliliğin Evrimi
Bitkiler ya da fotosentetik bakteriler güneşten enerji aldıklarında, bunu önce ATP gibi enerji depolayan moleküllere dönüştürürler. Fotosentezin bir sonraki aşamasında, hücreler bu enerjiyi ribuloz bisfosfat olarak bilinen bir molekülü glikoza dönüştürmek için kullanır, bu da birkaç ek reaksiyon gerektirir. Rubisco, karboksilasyon olarak bilinen bu reaksiyonlardan ilkini katalize eder. Bu reaksiyon sırasında CO2’den gelen karbon ribuloz bisfosfata eklenir.
Fotosentezde yer alan diğer enzimlerle karşılaştırıldığında rubisco çok yavaştır, saniyede sadece bir ila 10 reaksiyonu katalize eder. Ayrıca rubisco oksijenle de etkileşime girerek karbon yerine oksijen içeren rakip bir reaksiyona yol açabilir – bu da güneş ışığından emilen enerjinin bir kısmını boşa harcayan bir süreçtir.
McDonald, “Protein mühendisleri için bu gerçekten cazip bir dizi sorun çünkü bu özellikler, enzimin amino asit dizisinde değişiklikler yaparak daha iyi hale getirebileceğiniz şeyler gibi görünüyor” diyor.
Önceki araştırmalar rubisco’nun stabilitesinde ve çözünürlüğünde iyileşmeye yol açmış, bu da enzim verimliliğinde küçük kazanımlarla sonuçlanmıştır. Bu çalışmaların çoğu, doğal olarak oluşan bir proteinin rastgele mutasyona uğratıldığı ve daha sonra yeni, arzu edilen özelliklerin ortaya çıkması için tarandığı bir teknik olan yönlendirilmiş evrimi kullandı.
Mutasyon Yapmanın ve Taramanın Daha İyi Bir Yolu
Bu işlem genellikle, ilk olarak in vitro (hücre dışında) mutasyonlar üreten ve tipik olarak hedef gende yalnızca bir veya iki mutasyon oluşturan bir teknik olan hataya eğilimli PCR kullanılarak yapılır. Rubisco üzerine yapılan geçmiş çalışmalarda, bu mutasyon kütüphanesi daha sonra rubisco aktivitesine göre bir oranda büyüyen bakterilere sokulmuştur. Hataya eğilimli PCR ve yeni genlerin eklenme verimliliğindeki sınırlamalar, bu yaklaşım kullanılarak üretilebilecek ve taranabilecek toplam mutasyon sayısını kısıtlamaktadır. Manuel mutajenez ve seçim adımları da birden fazla evrim turu boyunca sürece daha fazla zaman ekliyor.
MIT ekibi bunun yerine Shoulders Laboratuvarı’nın daha önce geliştirdiği MutaT7 adı verilen daha yeni bir mutajenez tekniğini kullandı. Bu teknik, araştırmacıların canlı hücrelerde hem mutajenez hem de tarama yapmasına olanak tanıyor ve bu da süreci önemli ölçüde hızlandırıyor. Teknikleri ayrıca hedef geni daha yüksek oranda mutasyona uğratmalarını sağlıyor.
McDonald, “Sürekli yönlendirilmiş evrim tekniğimiz, enzimde geçmişte yapılandan çok daha fazla mutasyona bakmanıza olanak tanıyor” diyor.
Bakterilerden Daha İyi Biyokimyaya
Bu çalışma için araştırmacılar, Gallionellaceae olarak bilinen yarı anaerobik bir bakteri ailesinden izole edilen ve doğada bulunan en hızlı rubiscolardan biri olan bir rubisco versiyonuyla başladılar. E. coli’de gerçekleştirilen yönlendirilmiş evrim deneyleri sırasında araştırmacılar mikropları atmosferik oksijen seviyesine sahip bir ortamda tutarak oksijene uyum sağlamaları için evrimsel baskı oluşturdular.
Altı tur yönlendirilmiş evrimden sonra araştırmacılar rubisco’nun oksijene karşı direncini artıran üç farklı mutasyon belirledi. Bu mutasyonların her biri enzimin aktif bölgesinin (karboksilasyon veya oksijenasyon gerçekleştirdiği yer) yakınında yer alıyor. Araştırmacılar, bu mutasyonların enzimin oksijen yerine karbondioksit ile tercihli olarak etkileşime girme yeteneğini geliştirdiğine ve bunun da karboksilasyon verimliliğinde genel bir artışa yol açtığına inanıyor.
Oksijen Direnci ve Enzim Tercihi
“Burada altta yatan soru şudur: Rubisco’nun kinetik özelliklerini, daha iyi çalışmasını istediğiniz ortamlarda daha iyi çalışacak şekilde değiştirebilir ve geliştirebilir misiniz?” Shoulders şöyle diyor. “Yönlendirilmiş evrim sürecinde değişen şey, rubisco’nun oksijenle daha az reaksiyona girmeyi sevmeye başlaması oldu. Bu da rubiskonun normalde sürekli dikkatinin dağılacağı ve oksijenle reaksiyona girmesini istemeyeceğiniz oksijen açısından zengin bir ortamda iyi çalışmasını sağlıyor.”
Devam eden çalışmalarda, araştırmacılar bu yaklaşımı bitkilerden elde edilen rubisco da dahil olmak üzere diğer rubisco formlarına uyguluyorlar. Bitkilerin, fotorespirasyon adı verilen ve rubisco karbondioksit yerine oksijene etki ettiğinde ortaya çıkan bir süreç yoluyla emdikleri güneş ışığından gelen enerjinin yaklaşık yüzde 30’unu kaybettiklerine inanılıyor.
Tarımsal Potansiyel ve Önümüzdeki Yol
Wilson, “Bu gerçekten heyecan verici birçok yeni araştırmaya kapı açıyor ve geçmişte rubisco mühendisliğine hakim olan mühendislik türlerinin ötesinde bir adım” diyor. “Daha iyi bir rubisco ile tarımsal üretkenlikte kesin faydalar sağlanabilir.”
Kaynak: https://scitechdaily.com