Diğer enzimlerle kıyaslanınca Rubisco 'o kadar da kötü değilmiş'

Rubisco, fotosentezin ve dolayısıyla Dünya üzerindeki yaşamın anahtar enzimi. Dünyanın en yaygın proteini. Ancak Rubisco'nun “verimsizliği” yıllardır bilim insanlarının kafasını kurcalıyordu. Rubisco üzerine yapılan yeni bir çalışma ilk defa bakterilere bu bitki enzimini ürettirmeyi başardı. Bir başka çalışma ise Rubisco'nun verimsizliğinin olağan dışı olmadığı sonucuna ulaştı.
Solda ıspanak, sağda ise siyanobakteri Rubisco proteinlerinin yapısı görülüyor (pdb101.rcsb.org)
İstem Fer - bilimsoL
Pazar, 28 Ocak 2018 22:45

Yaşamın üç küsur milyar yıllık tarihinde Rubisco proteininin evrimi kilit bir rol oynadı. Bu enzim milyarlarca yıl önce evrilmemiş olsaydı, bırakın insanı, karmaşık yaşam biçimleri bile muhtemelen ortaya çıkamazdı. Dünyada hayat okyanus dibinde bakteri kolonilerinden ibaret olurdu.

Rubisco enzimi fotosentez (özümleme) tepkimelerinin başrol oyuncusu. Sekiz küçük, sekiz büyük alt-birimden oluşuyor. Siyanobakterilerde ve bitkilerde bulunan bu enzim, Dünyanın en yaygın proteini.

Bitkiler, bu karmaşık bileşik sayesinde gaz küredeki karbondioksiti (CO2) yakalıyorlar ve bir dizi tepkimeyle oksijene (O2) ve şekere çeviriyorlar.

Ancak bitki bilimciler onyıllardır Rubisco’nun iki özelliğinden yakınıyor: Birim zamanda az sayıda tepkime gerçekleştirmesi ve CO2 ile O2'yi ayırt etmekte çok başarılı olmaması.

Enzimler tepkimeye girdikleri maddeyle bir nevi anahtar-kilit birlikteliği oluşturarak etkileşirler. Rubisco sıklıkla CO2 yerine O2'ye de bağlanarak enerji israfına neden oluyor.

RUBİSCO NE KADAR MÜSRİF?

Bu israfın fotosentez ürünlerini toplamda %25'e varan oranlarda azalttığı tespit edilmiş. Bu nedenle Rubisco biyoloji camiasında “düşük verimli bir enzim” olarak tanınmıştı.

1950 yılındaki keşfinden bu yana Rubisco'nun devinimsel özellikleri çokça çalışılıyor. Çok sayıda araştırma grubu, Rubisco’nun verimini artırarak turbo fotosentez yapan bitkiler geliştirmek, daha verimli ekinler üretmeyi mümkün kılmak istiyor.

Ancak en az üç ara ürün ve dört durum geçiş noktasıyla Rubisco'nun işleyişi oldukça karmaşık. Halen daha proton transfer silsilesi ve oksijen ile tepkimeye girmesinin kökeni gibi tepkime kolaylaştırıcı (katalitik) düzeneğinin bazı önemli kısımları tümüyle bilinmiyor. Dahası Rubisco'nun tepkime kolaylaştırıcılığını arttırmaya yönelik çabalar da henüz başarıya ulaşmış değil.

Yeni bir çalışma ise Rubisco'yu kimyasal olarak yakın diğer enzimlerle karşılaştırarak, aslında kötü ününü haketmediğini sonucuna ulaştı. Plant, Cell and Environment isimli bilimsel dergide yayınlanan çalışmaya göre Rubisco'nun devinimsel (kinetik) özellikleri gayet sıradanmış.

Aynı çalışma, oksijenle tepkimeye girmenin Rubisco'ya benzer (enolat ve enamin oluşturan) enzimler arasında çok yaygın bir özellik olmadığını da gösterdi. Yani Rubisco'nun O2'ye bağlanma yatkınlığı bu tip tepkimelerin kaçınılmaz bir yan etkisinden ziyade, kimyasal ve metabolik evriminin bir sonucu gibi görünüyor. Çalışmanın yazarları enzimi daha yakından tanımak için yeni çalışmalar gerektiğini ifade ediyorlar.

BAKTERİYE RUBİSCO ÜRETTİRDİLER

Başka çalışma grupları ise bu karmaşık enzimi bakterilerde yapay olarak üretmenin ve rahatça manipüle etmenin yollarını arıyor.

Tam da bu alanda geçtiğimiz Aralık ayında önemli bir gelişme yaşandı. Bilim insanları ilk kez Rubisco genini Escherichia coli adlı bakteri hücrelerinde etkinleştirmeyi başardı.

Rubisco'nun tepkimeleri kolaylaştırıcı etkisini arttıracak sistemler üzerinde uzun zamandır çalışılıyordu. Ancak bitkisel Rubisco proteinlerini, kolayca oynanabilir E. coli hücrelerinde etkinleştirebilmek şimdiye kadar mümkün olmamıştı. Aralık ayı içerisinde Science bilim dergisinde yayınlanan yeni bir çalışma, rekombinant gen anlatımı teknolojisinin Rubisco için nasıl uygulanabileceğini göstererek Rubisco mühendisliğinin önünü açtı.

Rekombinant ifade teknolojisi, gen anlatımı yolaklarının laboratuvar ortamında güdümüyle, bir canlıdaki istenilen rekombinant genin (rekombinant gen = yine laboratuvarda, sözkonusu organizmanın genomuna işlenmiş -genellikle yabancı- gen) bol miktarda üretilebilir duruma getirilmesini sağlamaya yarıyor. Bu teknoloji ilaç üretiminde sıklıkla kullanılıyor. Örneğin genomuna insan insulin geni işlenmiş E. coli bakterisi veya maya (Saccharomyces cerevisiae) hücrelerine, şeker hastalarının kullanabileceği insulin hormonu ürettirmek mümkün.

Ancak iş geni işlemekle bitmiyor. Enzimin hücre içinde üretiminin, yani gen okumasından alt-birimlerinden inşasına kadar hücre içinde geçtiği biyolojik yolakların tamamının ev sahibi bakteri veya maya hücresinde, en azından belli standartlarda, sağlanması gerekiyor. Bugüne kadar Rubisco ile yapılan çalışmalar, ev sahibi hücrede enzimin üretimi için yeterli etkenlerin sağlanamaması nedeniyle başarısız oluyordu. Dahası, yine geçtiğimiz yıl içinde yayınlanan bir başka çalışmada gösterildiği üzere, bitkilerdeki Rubisco üretimi sadece çekirdek DNA'sındaki genlere değil plastidlerde yer alan genlere de bağlı.

Bu bilgi birikiminden yola çıkan Max Planck Biyokimya Enstitüsü bilimcileri, Arabidopsis thaliana bitkisinin Rubisco enziminin işlevsel ifadesini, enzimin üretiminde rol alan birden fazla yardımcı proteini de kullanarak E. coli hücresinde gerçekleştirdi.

Bitkisel Rubisco enzimini rekombinant teknolojiyle üretebilmek, laboratuvar ortamında sistematik değişinim (mutasyon) ve seçilim yoluyla ekin verimini arttıracak çok daha etkili Rubiscoların üretilebilmesi anlamına geliyor. Verimli Rubiscoya sahip değişinim geçirmiş bireylerin, normal bireylere göre havadan daha fazla karbon bağlaması ve iklim değişimiyle mücadelede kulanılması da sözkonusu olabilir.

İlgili makale:

Bathellier vd., 2018, Plant, Cell and Environment,  doi: 10.1111/pce.13149

Aigner vd., 2017, Science,  doi:10.1126/science.aap9221