Karbonun Bağlanmasını ("Fikse Edilmesini") Sağlayan Rubisko Proteininin Evrimindeki "Kayıp Bağlantı" Bulundu!

Bir grup bilim insanı, rubisko enziminin antik bir çeşidini buldu. Rubisko canlılarda çok yaygın olarak bulunan, yaşam için çok kritik bir enzim.

Yeni keşfedilen bazı mikroplarda bulunan yeni rubisco çeşidi dünyanın besin zincirinin temelini oluşturan fotosentetik organizmaların evrimine ışık tutuyor. UC Davis’te çalışan Dr. Patrick Shih’in laboratuvarında doktora sonrası araştırmalarına devam eden Doug Banda, şöyle anlatıyor:

Rubisko, besin üretimindeki birincil araç, yani bitkilerin ve başka fotosentetik canlıların kullanımı için atmosferden karbondioksit alarak bunu şekerin yapısına katabiliyor.

Patrick Shih, aynı zamanda Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tarafından yürütülen Joint BioEnergy Enstitüsü’nde (JBEI) Bitki Biosistemleri tasarımında yöneticilik yapıyor.

Bitkilerde, siyanobakterilerde ve alglerde bulunan I rubisco formunun Dünya’nın evrimi ile yakın bir ilişkisi var. Bu ilişki yaklaşık 2,4 milyar yıl öncesine, Büyük Oksitleme Olayı’na, yani siyanobakterilerin Dünya atmosferine fotosentez yoluyla oksijen vermeye başlamasına kadar uzanıyor. Rubiskonun bu temel olaydaki rolü, onu hem evrim araştırmacıları hem de biyolojik temelli yakıtlar ve yenilenebilir enerji teknolojileri alanında çalışan bilim insanları için ana odak haline getiriyor.

Nature Plants dergisinde yayımlanan bir çalışma, Banda ve UC Davis, UC Berkeley ve Berkeley Lab’dan bazı araştırmacıları içeren bir ekip yeni keşfedilen I rubiskonun kökenini ve karakteristik özelliklerini anlatıyor.

Çevresel örneklerin metagenomik analizi ile keşfedilen ve laboratuvarda sentezlenebilen I’ rubisko adı verilen yeni form, araştırmacılara I rubiskonun evrimsel gelişimi hakkında bilgi veriyor. Ayrıca bu enzimin Dünya’nın değişiminde önemli bir etkisi olduğu düşünülüyor. Shih, şöyle diyor:

Oksidasyon olayından (2,4 milyar yıl önce) önce rubiskonun şekli bu olabilir.

I’ rubisko bilim insanlarına antik mikropların siyanobakterilerden önce karbonu nasıl yapıya kattıklarına dair bir pencere aralıyor.

Görünmez Dünya

I rubisko bir hegzadekamer, yani sekiz ana bölmeden, büyük moleküler alt birimlerle birlikte altlı üstlü yerleşmiş sekiz küçük alt birimden oluşuyor. Bu proteinin bütün bölümlerinin fotosentez için tamamlayıcı bir rolü var.

Rubiskonun başka işlevsel çeşitleri bakteri ve arkelerde bulunabiliyor. Rubiskonun bu çeşitleri farklı şekil ve boyutlarda olabilmesine ramen hepsi fotosentezde aynı adımları yürütüyor. Ancak Dünya’daki karbon fiksasyonunun büyük çoğunluğundan I rubisko sorumlu.

Çalışmanın eş yazarı ve ortağı, UC Berkeley Dünya ve Gezegen Bilimleri bölümünden Profesör Jill Banfield, yer üstü sularının metagenomik analizi ardından I’ rubisco formunu ortaya çıkardı. Metagenomik analiz sayesinde araştırmacılar çevrede bulunan kültürlenmemiş mikroorganizmaların genlerini ve genetik dizilimlerini inceleyebiliyorlar.

Banfield tarafından sağlanan genler ve genetik dizililer sayesinde Banda ve Shih laboratuvarda, ifade edilmiş bir I’ rubisko formunu E. coli kullanarak elde etmeyi başardı. Bu yeni proteinin nasıl işlediğini ve daha önceden keşfedilmiş rubisko enzimleriyle arasındaki farkları anlamak için araştırmacıların enzimin yapısının hatasız 3D modellerini oluşturması gerekiyordu. Bunu başarmak için baş yazarlar, yüzlerini Berkeley yapısal biyoloji laboratuvarından Paul Adams, Henrique Pereira ve Michal Hammel’a çevirdi.

Öncelikle, Berkeley Laboratuvarı’nın Gelişmiş Işık Kaynağı (ALS) ile Adams ve Pereira moleküllerin atomik düzeydeki çözünürlüklerini gösterebilen X-ray kristalografi yöntemini kullandı. Sonra, enzimin yapısının farklı aktivite seviyelerinde nasıl değiştiğini gözlemlemek için Hammel ALS’teki SIBYLS ışın hattını kullanarak küçük açılı X ışını salınması (SAXS) diye bir yöntem uyguladı.

SAXS daha düşük çözünürlüklü bir teknik ama gerçekleştirilebilmesi için donmuş kristal formundaki moleküllere ihtiyaç duyulan kristalografiden farklı olarak SAXS bir çözeltide gerçekleştiriliyor. İki yöntem sonucunda elde edilen veriler birleştirildiğinde bilim insanları karmaşık molekül modelleri oluşturabiliyorlar. Berkeley Moleküler Biyofizik ve Entegre Biyo-görüntüleme (MBIB) bölümünden Hammel şöyle diyor:

Birçok enzimin yaşamla ilişkisi Rubisko birbirine bağlı birçok protein elemana sahip. Rubisko fotosentez sırasında başka moleküllere bağlandıkça bu protein elemanların dizilimleri değişiyor ve döngü bu şekilde ilerliyor. Yöntemlerimiz bu yeni rubisko çeşidinin gerçek hayatın fizyolojik şartlarındaki davranışlarını açıklamamızda başarılı oldu.

ALS çalışmaları, I rubisco gibi I’ rubiskonun da sekiz büyük alt birimden oluştuğunu gösterdi. Fakat I’ rubisco önceden karbon fiksasyonu için gerekli olduğu düşünülen küçük alt birimleri içermiyor.

Araştırmacılar artık I’ rubiskonun I rubiskonun evrimsel gelişimindeki kayıp bir bağlantıyı temsil ettiğini düşünüyor. Banda, şöyle diyor:

Küçük alt birimleri olmayan bir oktamerik rubiskonun keşfi, bu altbirimlerin işlevsel özellikleri olmadan yaşamın nasıl işlediği hakkında sorular sormamızı sağlıyor.

I’ rubiskonun yapısal incelemesi sonunda elde edilen başarıyı takiben Shih; Hammel, Adams ve Pereira’nın bu çalışmadaki bütünleyici yaklaşımlarının başka bitkisel enzim çalışmalarında da kullanabileceklerini düşünüyor. Biyofizikçi Pereira, şöyle diyor:

Berkeley laboratuvarında 1o yıldan uzun bir süredir beraber çalışıyorduk. Kristalografi ve SAXS’ın biyolojik problemlerin anlaşılmasını sağlayabildiğini görmek bizi çok memnun etti. Önceden, farklı yapısal biyoloji tekniklerini kullanan bilim insanları kendilerini bir yarış içindeymiş gibi görüyordu. Artık bu böyle değil, saf iş birliği ön planda.