Pra-rubisco

Ameriške raziskovalke in raziskovalci v nedavni raziskavi poročajo o potrebni spremembi pri interpretaciji meritev ogljika v starih kamninskih sedimentih. Opozarjajo, da bi obstoječe teoretične modele morali ustrezno dopolniti, tako da bi ti pravilno upoštevali tudi evolucijske procese, ki so vplivali na razvoj bioloških komponent fiksacije atmosferskega ogljika.

Fosilni ostanki, kot so denimo kamninski sedimenti, nudijo vpogled v Zemljino zgodovino. Na podlagi meritev razmerij izotopov ogljika C13 in C12 lahko recimo sklepamo, pred koliko časa je sediment nastal. Še več, podatek nam služi tudi pri določanju zgradbe takratne Zemljine atmosfere. Pri tem je treba upoštevati tudi prisotnost in delovanje takrat obstoječih živih organizmov in bioloških komponent specifičnega koncentriranja izotopskega ogljika.

Ena izmed osrednjih komponent bioloških procesov fiksiranja atmosferskega ogljika je encim ribuloza-1,5-bifosfat karboksilaza/oksigenaza, krajše imenovan rubisco. Encim, ki je del Calvinovega cikla, v svoje aktivno mesto veže molekulo ogljikovega dioksida in jo vgradi v molekulo ribuloze-1,5-bifosfat, ki nato razpade na dve molekuli 3-fosfoglicerata. Molekula atmosferskega CO2 se tako vgradi v organsko molekulo, ki jo lahko živi organizmi uporabijo za nadaljnje sinteze kompleksnejših organskih molekul.

Encim rubisco zaradi svoje specifične strukture razlikuje med različnima izotopoma ogljika v ogljikovem dioksidu - torej med C13 in C12; pri čemer slednjega lažje in hitreje uporabi pri svoji vgradnji v molekulo ribulozo-1,5-bifosfat. Raziskovalci in raziskovalke so takšen efekt razlikovanja med izotopi že vgradili v obstoječe modele, ki na podlagi meritev razmerja izotopov ogljika posredno napovejo vsebnost CO2 v takratni atmosferi. A pri tem so izpustili pomembno lastnost bioloških sistemov - evolucijo. 

V predstavljeni raziskavi so raziskovalci in raziskovalke z uporabo bioinformatskih orodij in sekvenčnih podatkov evolucijsko oddaljenih organizmov, ki določajo aminokislinsko zaporedje rubisca, rekonstruirali aktiven encim rubisco, kot naj bi bil videti pred več kot milijardo let. Takšen rubisco naj bi se nahajal v prvih mikroorganizmih, ki so znali fiksirati ogljikov dioksid - cianobakterijah. Prastaremu cianobakterijskemu rubiscu so nato eksperimentalno določili parametre, kot sta katalitična aktivnost in zmožnost razlikovanja med izotopoma, ki vplivajo na fiksiranje ogljika. 

Rezultati so pokazali, da se je cianobakterijski pra-rubisco precej razlikoval od tega, ki ga v cianobakterijah najdemo danes. Tako je denimo pra-rubisco bistveno manj razlikoval med različnima izotopoma ogljika C12 in C13. Na podlagi opažanja so raziskovalke in raziskovalci ustrezno prilagodili osnovni model, ki razlaga razlike v vsebnosti različnih izotopov ogljika v sedimentih in upošteva dodaten vpliv koncentriranja s strani rubisca.

Raziskava je opozorila na pomemben in često spregledan pomen evolucije bioloških procesov pri interpretaciji vsebnosti različnih izotopov ogljika v sedimentnih kamninah. Z modernimi bioinformatskimi pristopi in napredkom molekularne biologije lahko ta efekt danes tudi eksperimentalno ocenimo, kar nam omogoča bolj zanesljivo interpretacijo Zemljine zgodovine.

Vir: Wang RZ, Nichols RJ, Liu AK, et al. Carbon isotope fractionation by an ancestral rubisco suggests that biological proxies for CO₂ through geologic time should be reevaluated. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023;120(20):e2300466120. doi:10.1073/pnas.2300466120

Vir slike: Wikipedia (upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a0/Earth_%28blank%29.png), Pxfuel (www.pxfuel.com/en/free-photo-odufd)