Раскрыта загадка самого распространенного фермента на Земле

Ученые Института земной микробиологии Общества Макса Планка и Университета Марбурга (Германия) раскрыли эволюцию самого распространенного фермента на Земле — рубиско, который играет ключевую роль в процессе фотосинтеза. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, решают загадку, каким образом фермент приспособился к увеличению содержания кислорода в атмосфере планеты.

Рубиско или рибулозобисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) катализирует присоединение поглощенного углекислого газа к рибулозо-1,5-бисфосфату — молекуле, являющейся отправной точкой цикла Кальвина, в ходе которого углерод из CO2 усваивается растениями и цианобактериями и включается в их биомассу. Рубиско состоит из двух главных компонентов — большой субъединицы L и малой субъединицы S. L имеет каталитические центры, непосредственно участвующие в фиксации углерода, однако роль S-субъединицы не была понятна.

Исследователи синтезировали вероятные предковые формы рубиско, существовавшие около миллиарда лет назад, чтобы реконструировать важное эволюционное событие, когда фермент научился отличать углекислый газ от альтернативного субстрата — молекулярного кислорода. В прошлом, когда атмосфера Земли начала насыщаться кислородом, рубиско начал катализировать нежелательную реакцию, в ходе которой происходило усвоение молекулярного кислорода и вырабатывались токсичные для живых клеток радикалы. До сих пор фермент при определенных условиях переключается на фотодыхание — оксигеназную активность, что снижает эффективность фотосинтеза.

В ходе эволюции рубиско должен был стать более специфичным к углекислому газу, чтобы обеспечить выживание предков современных растений и других фотосинтезирующих организмов. Исследователи ожидали, что предковые формы фермента обзавелись новым компонентом, который напрямую исключал кислород из каталитических центров субъединицы L. Вместо этого они обнаружили, что добавление малой субъединицы влияет на тот эффект, который последующие мутации фермента оказывают на каталитические центры. Те мутации, что были несущественны для субъединицы L, в присутствии субъединицы S стали оказывать огромное влияние на фермент.

Анализ ферментативной активности и макромолекулярных структур показал, что малая субъединица быстро стала незаменимой и поспособствовала более широким функциональным изменениям в большой субъединице, включая повышенную активность и специфичность в отношении углекислого газа. По словам ученых, результаты показывают, что рубиско можно модифицировать путем добавления новых белковых компонентов и даже понизить потери углерода при фотодыхании.