מדענים מטילים על הפוטוסינתזה כדי לפתח צמחי על "זלול פחמן".

חוקרים חשפו את המנגנון של אנזים מכריע, המתואר כ"חבוי בתוכנית הטבע", המאיר כיצד תאים שולטים בתהליכי מפתח בקיבוע פחמן, תהליך בסיסי לחיים על פני כדור הארץ.

התגלית יכולה לסייע בהנדסת יבולים עמידים באקלים המסוגלים לינוק פחמן דו חמצני מהאטמוספירה בצורה יעילה יותר, ולעזור לייצר יותר מזון בתהליך. פריצת הדרך נעשתה על ידי מדענים מ-The האוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה (ANU) ואוניברסיטת ניוקאסל (UoN).

המחקר, פורסם ב-10 במאי בכתב העת התקדמות המדעמדגים תפקוד לא ידוע קודם לכן של אנזים הנקרא carboxysomal carbonic anhydrase (CsoSCA), שנמצא בציאנובקטריה – המכונה גם אצות כחולות ירוקות – למקסם את יכולתם של המיקרואורגניזמים לחלץ פחמן דו חמצני מהאטמוספירה.

ציאנובקטריות ידועות בדרך כלל בשל פריחתן הרעילה באגמים ובנהרות. אבל החרקים הכחולים-ירוקים הקטנים האלה נפוצים, גם חיים באוקיינוסים בעולם.

למרות שהם עלולים להוות סכנה סביבתית, החוקרים מתארים אותם כ"גיבורי-על זעירים מפחמן". דרך התהליך של פוטוסינתזההם ממלאים תפקיד חשוב בלכידת כ-12 אחוזים מהפחמן הדו-חמצני בעולם מדי שנה.

הסופר הראשון וחוקר הדוקטורט סשה פולספורד, מ-ANU, מתאר עד כמה יעילים להפליא המיקרואורגניזמים הללו בלכידת פחמן.

"בניגוד לצמחים, לציאנובקטריה יש מערכת הנקראת מנגנון ריכוז פחמן דו חמצני (CCM), המאפשרת להם לקבע פחמן מהאטמוספרה ולהפוך אותו לסוכרים בקצב מהיר משמעותית מצמחים וגידולים סטנדרטיים. מִין," אמרה גב' פולספורד.

בלב ה-CCM נמצאים תאי חלבון גדולים הנקראים קרבוקסיזומים. מבנים אלה אחראים על ספיגה של פחמן דו חמצני, אחסון CsoSCA ואנזים נוסף בשם Rubisco.

האנזימים CsoSCA ו-Rubisco פועלים יחד, ומדגימים את האופי היעיל ביותר של ה-CCM. ה-CsoSCA פועל ליצירת ריכוז מקומי גבוה של פחמן דו חמצני בתוך הקרבוקסיזום שאותו יכול רוביסקו לזלול ולהפוך לסוכרים לתא לאכול.

המחבר הראשי ד"ר בן לונג, מ-UoN, אמר: "עד עכשיו, מדענים לא היו בטוחים כיצד נשלט האנזים CsoSCA. המחקר שלנו התמקד בפענוח התעלומה הזו, במיוחד בקבוצה גדולה של ציאנובקטריות שנמצאו ברחבי העולם. מה שמצאנו היה בלתי צפוי לחלוטין.

"האנזים CsoSCA רוקד לצלילי מולקולה אחרת בשם RuBP, שמפעילה אותה כמו מתג.

"תחשוב על פוטוסינתזה כמו להכין כריך. פחמן דו חמצני מהאוויר הוא המילוי, אבל תא פוטוסינתטי צריך לספק את הלחם. זה RuBP.

"בדיוק כמו שאתה צריך לחם כדי להכין כריך, קצב הפיכת הפחמן הדו-חמצני לסוכר תלוי במהירות האספקה ​​של RuBP.

"המהירות שבה האנזים CsoSCA מספק פחמן דו חמצני ל-Rubisco תלויה בכמות ה-RuBP שנמצאת. כשיש מספיק, האנזים מופעל. אבל אם בתא נגמר ה-RuBP, האנזים כבוי, מה שהופך את המערכת למכווננת ויעילה ביותר.

"למרבה ההפתעה, האנזים CsoSCA היה מוטבע בתוכנית הטבע כל הזמן, מחכה להתגלות."

המדענים אומרים שגידולים הנדסיים יעילים יותר בלכידה ובניצול פחמן דו חמצני יספקו דחיפה עצומה לתעשיית החקלאות על ידי שיפור ניכר בתפוקת היבול תוך הפחתת הביקוש לדשן חנקן ומערכות השקיה.

זה גם יבטיח שמערכות המזון בעולם יהיו עמידות יותר לשינויי אקלים.

גב' פולספורד אמרה: "ההבנה כיצד פועל ה-CCM לא רק מעשירה את הידע שלנו על תהליכים טבעיים הבסיסיים לביוגיאוכימיה של כדור הארץ, אלא עשויה גם להדריך אותנו ביצירת פתרונות ברי קיימא לכמה מהאתגרים הסביבתיים הגדולים ביותר איתם מתמודד העולם".