Amerykańscy naukowcy przeanalizowali ewolucję kluczowego enzymu fotosyntezy, kompleksu białkowego Rubisco. Umożliwiło to przewidzenie struktury starożytnego przodka kompleksu i zsyntetyzowanie go od podstaw, wykazując najlepszą wydajność. Wyniki badań zwiększą plony wielu upraw rolnych, aby do 2050 r. wyżywić przewidywane dziewięć miliardów ludzi na Ziemi.

Kompleks białkowy Rubisco (karboksylaza rybulozo-bisfosforanu) jest kluczowym enzymem, który rozpoczyna wszystkie procesy fotosyntezy poprzez wiązanie atmosferycznego dwutlenku węgla. Mechanizm jej działania powstał ponad 2,5 miliarda lat temu, jeszcze przed globalnym wydarzeniem nasycenia atmosfery ziemskiej tlenem, znanym jako katastrofa tlenowa. W tamtych czasach enzym nie musiał odróżniać dwutlenku węgla od tlenu, ponieważ ten ostatni był praktycznie nieobecny w atmosferze, więc Rubisco było ściśle specyficzne i wiązało tylko cząsteczkę CO2.

Jednak wraz ze wzrostem poziomu tlenu w atmosferze okazało się, że Rubisco było również w stanie wiązać cząsteczkę O2, dlatego nawet współczesne organizmy fotosyntetyczne zachowały zdolność do fotooddychania – procesu, w rzeczywistości odwrotności fotosyntezy. Proces ten zużywa tlen i wytwarza dwutlenek węgla, który spowalnia Rubisco, marnuje energię i zmniejsza wydajność fotosyntezy. Aby zmniejszyć wpływ fotooddychania na efektywność fotosyntezy, ewolucja zwiększyła specyficzność Rubisco dla dwutlenku węgla, a także stworzyła mechanizmy wstępnego stężenia CO2 w niektórych roślinach.

W ciągu ostatnich 20-30 milionów lat poziom dwutlenku węgla w atmosferze w końcu spadł i nie wzrósł powyżej 300 części na milion aż do lat pięćdziesiątych. Organizmy fotosyntetyczne przystosowały się do takich warunków i dostosowały do ​​potrzeb parametry i strukturę enzymu Rubisco. Teraz, gdy działalność człowieka zwiększyła poziom dwutlenku węgla do 420 części na milion w mniej niż sto lat (i nadal to robi), naukowcy wpadają na pomysł przystosowania roślin do nowych warunków, aby zwiększyć ich plony poprzez inżynierię genetyczną.

Pracownicy Cornell University przeprowadzili głęboką analizę filogenetyczną struktury kompleksu białkowego Rubisco, która obejmuje wiele upraw: ziemniaki, pomidory, bakłażany, tytoń i inni. Analiza przewidziała strukturę przodka enzymu Rubisco, który prawdopodobnie działał w organizmach fotosyntetycznych 20-50 milionów lat temu, kiedy poziomy dwutlenku węgla w atmosferze mogły sięgać nawet 800 części na milion. Dokładniej, przewidziano 98 takich struktur przodków, które następnie zsyntetyzowano i określiły efektywność ich pracy enzymatycznej. 

W przypadku wielu przewidywanych opcji okazało się, że jest on zauważalnie wyższy - do 28% - niż w przypadku zwykłego obecnego Rubisco. Dzięki temu naukowcy zidentyfikowali obiecujące enzymy kandydujące, które można by wprowadzić za pomocą inżynierii genetycznej do nowoczesnych upraw rolniczych, zwiększając wydajność fotosyntezy, a w rezultacie zwiększając plony. Jeśli metoda zaproponowana przez autorów odniesie sukces, te skuteczne sekwencje przodków Rubisco można przenieść na rośliny uprawne, takie jak pomidory i ziemniaki, a także na rośliny z innych rodzin, takie jak soja i ryż.