Impianti, alghe, e altri organismi producono l'enzima RuBisCO per convertire l'anidride carbonica dall'atmosfera in molecole ricche di energia, come il glucosio, che formano carboidrati e altri composti organici del carbonio essenziali per la vita sulla terra.

Questo processo catalitico è chiamato "fissazione del carbonio". Una migliore comprensione dell'attività specifica coinvolta quando RuBisCO avvia questa reazione chimica potrebbe essere strumentale per migliorare l'efficienza dell'enzima e facilitare una crescita più rapida delle piante, un risultato desiderabile che potrebbe aumentare i raccolti conservando fertilizzanti e risorse naturali.

A tal fine, ricercatori dell'Università di Uppsala stanno utilizzando neutroni presso il Dipartimento dell'Energia (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) per determinare la struttura proteica di un campione di RuBisCO ottenuto da foglie di spinaci.

"Speriamo di comprendere la fissazione del carbonio in dettaglio a livello atomico, che ci aiuterebbe a capire esattamente cosa sta succedendo a ciascuna molecola di anidride carbonica che l'enzima preleva dall'atmosfera e porta nella biosfera, ", ha detto il ricercatore principale Marvin Seibert.

Durante la fissazione, gli organismi "fissano" il carbonio in posizione legandolo alle molecole organiche.

Nonostante svolga un ruolo così importante in questo processo, RuBisCO è eccezionalmente lento e inefficiente. Compensare, le piante sono costrette a dedicare una parte sostanziale delle loro preziose risorse alla produzione di grandi quantità dell'enzima.

"Una quantità significativa dell'azoto di cui una pianta ha bisogno per la sua crescita viene utilizzata per produrre RuBisCO, che a sua volta raccoglie il carbonio necessario per la fotosintesi, " Disse Seibert. "Per inciso, molto del fertilizzante che mettiamo nei campi finisce nelle proteine ​​interne delle piante per contribuire a questo processo".

Perché è prodotto come risposta alla domanda costante di carbonio, RuBisCO può essere probabilmente classificato come uno degli enzimi più abbondanti sul pianeta. Gli scienziati stimano che, ad un certo punto, ogni atomo di carbonio in ogni organismo è passato attraverso la fissazione del carbonio.

Se le piante fossero in grado di prosperare e completare la fissazione del carbonio in condizioni più efficienti, un tale risparmio sui costi, un risultato rispettoso dell'ambiente potrebbe contribuire a miglioramenti complessivi del valore agricolo ed economico di importanti colture utilizzate per l'alimentazione, biocarburanti, e altri scopi pratici.

Sebbene gli scienziati abbiano utilizzato tecniche a raggi X per studiare RuBisCO in passato, i metodi di diffusione dei neutroni hanno il netto vantaggio di essere sensibili all'idrogeno. Circa la metà degli atomi nelle biomolecole sono atomi di idrogeno, il che significa che la capacità di individuare la loro posizione e struttura è fondamentale per caratterizzare la struttura atomica dell'enzima.

"Se siamo in grado di produrre una struttura di cristallografia di neutroni in cui possiamo vedere gli atomi di idrogeno nel sito attivo di RuBisCO, dovremmo essere in grado di studiare il meccanismo catalitico dell'enzima e saperne di più sulla conversione dell'anidride carbonica in composti organici del carbonio, "Ha detto Seibert.

Lavorando con la scienziata dell'ORNL Flora Meilleur, il team svedese sta perseguendo questo obiettivo presso l'High Flux Isotope Reactor (HFIR) dell'ORNL utilizzando lo strumento IMAGINE, Linea di luce HFIR CG-4-D. Stanno anche eseguendo esperimenti complementari presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL utilizzando lo strumento MaNDi, Linea di luce SNS 11B.

In precedenza, i ricercatori si sono basati su ipotesi e modelli per esaminare l'attività catalitica di RuBisCO, ma anticipano che la ricerca sulla diffusione di neutroni fornirà una base più concreta su cui costruire studi futuri.

"Abbiamo ottenuto risultati nei primi cinque minuti, e vedere un successo così rapido è molto insolito, "Ha detto Seibert. "La combinazione di grande strumentazione e persone meravigliose qui rende possibile questo esperimento".