La fotorespirazione è un processo ad alto consumo energetico nelle piante che porta al rilascio di CO . precedentemente fissata ₂ . Così, ingegnerizzare questo processo metabolico è un approccio chiave per il miglioramento della resa delle colture e per affrontare la sfida della CO . in costante aumento ₂ livelli nell'atmosfera. I ricercatori guidati da Tobias Erb dell'Istituto Max Planck per la microbiologia terrestre di Marburgo, Germania, sono ora riusciti a progettare il percorso TaCo, un bypass fotorespiratorio sintetico. Questa connessione metabolica nuova alla natura apre nuove possibilità di CO ₂ fissazione e la produzione di composti a valore aggiunto.

Tutta la vita dipende dalla fissazione della CO ₂ attraverso le piante. Però, l'efficienza enzimatica della fotosintesi naturale è limitata, fissando un limite alla produttività agricola e alla CO ₂ fissazione. La fotorespirazione è un processo di disintossicazione nelle piante che ricicla un sottoprodotto tossico della fotosintesi, 2-fosfoglicolato. La fotorespirazione consuma molta energia e porta al rilascio di CO . precedentemente fissata ₂ , frenando così ulteriormente l'equilibrio fotosintetico.

I ricercatori guidati da Tobias Erb dell'Istituto Max Planck per la microbiologia terrestre hanno sviluppato un bypass fotorespiratorio sintetico che rappresenta un'alternativa alla fotorespirazione naturale. In collaborazione con il gruppo di Arren Bar-Even (Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, Potsdam-Golm), e nell'ambito del progetto Future Agriculture, finanziato dall'UE, il team ha progettato il cosiddetto percorso del tartronil-CoA (TaCo) che è molto più breve della fotorespirazione naturale e richiede solo 5 invece di 11 enzimi. Il forse più grande vantaggio del percorso TaCo è che fissa la CO ₂ invece di rilasciarlo, come avviene nella fotorespirazione naturale. Di conseguenza, il percorso TaCo è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a qualsiasi altro bypass fotorespiratorio proposto fino ad oggi.

Costruire il percorso TaCo è stato un viaggio scientifico che ha condotto i ricercatori dal modello computazionale all'ingegneria enzimatica, screening microfluidico ad alto rendimento, tecnologia crio-EM verso la riuscita implementazione in vitro di una connessione metabolica nuova alla natura che apre nuove possibilità per la CO ₂ fissazione e la produzione di composti a valore aggiunto. "La sfida principale nella realizzazione del percorso TaCo è stata quella di trovare tutti gli enzimi necessari, "Marieke Scheffen, Ricercatore post-dottorato nel gruppo di Tobias Erb e autore principale dello studio, ricorda. "Significava che dovevamo cercare enzimi che eseguono reazioni simili e quindi "insegnare loro" a eseguire la reazione desiderata".

Enzimi più efficienti

Per il percorso TaCo, inizialmente è stata trovata una manciata di enzimi in grado di catalizzare le reazioni richieste. Però, hanno mostrato basse efficienze catalitiche, il che significa che erano piuttosto lenti rispetto agli enzimi naturali. I ricercatori miravano a potenziare in particolare le prestazioni dell'enzima chiave della via TaCo, glicolil-CoA carbossilasi (GCC), il catalizzatore che rende positivo il carbonio della fotorespirazione.

Come base per la creazione di una glicolil-CoA carbossilasi (GCC) sintetica, i ricercatori hanno sviluppato un modello molecolare dell'enzima. Diverse varianti dell'enzima sono state create sulla base di una propionil-CoA carbossilasi naturale, che di solito è coinvolto nel metabolismo degli acidi grassi, come impalcatura scambiando residui di amminoacidi. Questa strategia di progettazione razionale ha portato a un miglioramento di 50 volte dell'efficienza catalitica dell'enzima con glicolil-CoA.

Per spingere ulteriormente le prestazioni dell'enzima, i ricercatori hanno collaborato con il gruppo di Jean-Christophe Baret del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS, CRPP) Bordeaux, Francia, con il quale hanno sviluppato uno schermo microfluidico ad altissima produttività e hanno esaminato migliaia di varianti sintetiche. Entro due cicli di screening successivi su micropiastre, è stata scoperta una variante enzimatica che ha mostrato un'efficienza catalitica persino quasi 900 volte maggiore con glicolil-CoA. "Con questa efficienza catalitica, Il GCC è nella gamma delle carbossilasi biotina-dipendenti presenti in natura. Ciò significa che siamo stati in grado di progettare un enzima da quasi nessuna attività verso il glicolil-CoA fino a un'attività molto elevata, che è paragonabile agli enzimi naturalmente evoluti, "Spiega Marieke Scheffen.

Microscopia elettronica ad alta risoluzione

La risoluzione della struttura molecolare di questo catalizzatore di nuova concezione è stata ottenuta in un'altra collaborazione, con Jan e Sandra Schuller del Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried (ora SYNMIKRO a Marburgo). I ricercatori hanno applicato la microscopia elettronica criogenica all'avanguardia (crio-EM) con una risoluzione atomica di 1,96 Å, spingendo così i limiti della crio-EM.

Finalmente, l'enzima sintetico GCC si è dimostrato funzionale in esperimenti in vitro in combinazione con gli altri due enzimi della via TaCo, formando così un percorso di fissazione del carbonio applicabile. "Il percorso TaCo non è solo un'alternativa promettente per la fotorespirazione", afferma il capogruppo Tobias Erb. "Potremmo anche dimostrare che può essere interfacciato con altre CO . sintetiche ₂ cicli di fissazione, come il ciclo CETCH. Ora saremo in grado di collegare in modo efficiente la CO . sintetica ₂ fissazione direttamente al metabolismo centrale."

Questo apre una gamma di possibilità scientifiche, ad esempio verso il riciclaggio del polietilene tereftalato (PET). La via del TaCo potrebbe essere utilizzata per convertire il glicole etilenico (un monomero del PET) direttamente in glicerato, rendendolo utilizzabile per la produzione di biomassa o composti a valore aggiunto. Il prossimo passo sarà quello di far avanzare l'implementazione in vivo, al fine di sfruttare appieno il potenziale del percorso di nuova concezione.