KTH-forskare testar 15 000 enzymvarianter för att förbättra fotosyntesen

Stigande temperaturer och återkommande torka innebär växande utmaningar för jordbruket. En möjlig väg till mer motståndskraftiga grödor är att förbättra fotosyntesen, den process där växter använder solljus för att omvandla koldioxid till organiskt material.

Ett forskarlag vid Kungliga Tekniska högskolan, KTH, har nu tagit ett steg i den riktningen genom att systematiskt undersöka enzymet Rubisco. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science Advances.

Rubisco spelar en central roll i fotosyntesen, men har begränsningar. Enzymet arbetar relativt långsamt och kan reagera med syre i stället för koldioxid. Det leder till processer som förbrukar energi och försämrar växternas effektivitet.

Testade tusentals genetiska förändringar

Forskarna skapade och analyserade omkring 15 000 varianter av bakteriellt Rubisco. Genom en särskild metod där varje enzymvariant fick en DNA-märkning kunde de undersöka hur olika mutationer påverkade bakteriernas tillväxt.

Valet att studera bakteriellt Rubisco beror på att enzymet är enklare att framställa och testa i stor skala än motsvarande enzym hos växter.

– Vissa bakteriella Rubisco-enzymer av form 2 bearbetar koldioxid snabbare än växternas enzym. Men de katalyserar också oxygeneringsreaktion lättare, vilket innebär att de är mindre selektiva för koldioxid. Vår idé var att ta dessa snabba Rubisco-enzymer och göra dem ännu snabbare, eller åtminstone minska deras oxygeneringshastighet samtidigt som en hög karboxyleringshastighet bibehålls, säger Paul Hudson, professor i systembiologi vid KTH.

Två av de mest lovande varianterna reagerade mindre med syre samtidigt som de behöll förmågan att bearbeta koldioxid. Forskarna konstaterade dock att förbättringarna också innebar kompromisser i enzymets samlade effektivitet.

Svårt att förutsäga effekten av mutationer

Studien visade också att mutationer som fungerade bra var för sig inte nödvändigtvis gav positiva resultat när de kombinerades.

Forskargruppen utvärderade flera datormodeller som ska kunna förutsäga hur genetiska förändringar påverkar Rubisco. Modellerna fungerade bättre för enskilda mutationer än för kombinationer.

– Detta visar att effekterna av mutationer i Rubisco är komplexa och svåra att förutsäga utan stora mängder experimentella data, säger Paul Hudson.

Den omfattande databasen från försöken kan nu användas för att utveckla mer träffsäkra modeller.

Nästa steg är att undersöka hur enzymets reaktion med syre kan minskas ytterligare. Forskarna testar också nya enzymer i växtceller och cyanobakterier inom ett EU-finansierat projekt.

Resultaten innebär ännu inte att effektivare grödor har utvecklats. För att avgöra om upptäckterna kan förbättra jordbruksväxters tillväxt krävs ytterligare försök i växtceller och hela växter.