Höhere Effizienz von RuBisCO

Pflanzen, Algen und photosynthetische Bakterien haben etwas gemeinsam: Das Enzym, mit dem sie Kohlenstoff binden: RuBisCO. Ihr vollständiger Name lautet Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase. Und das erwähnen wir hier nicht nur wegen des schönen Klangs. In dem Namen versteckt sich auch die Krux des Enzyms. Es kann nämlich nicht nur Kohlenstoff binden, sondern auch Sauerstoff.

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Diese unerwünschte Nebenreaktion, auch Lichtatmung genannt, vergeudet Energie und verbraucht Sauerstoff. Forschende auf der ganzen Welt fragen sich daher schon lange, ob sich RuBisCO nicht optimieren ließe. Drei Ansätze kommen dafür in Frage. Erstens eine höhere Geschwindigkeit, mit der Kohlendioxid umgesetzt wird. Zweitens eine höhere Affinität, mit der CO₂ gebunden wird. Und drittens die Spezifität, mit der die RuBisCO Kohlendioxid gegenüber Sauerstoff bevorzugt. Doch bisherige Engineering-Ansätze waren nicht erfolgreich.

Die erste Herausforderung ist bereits die Auswahl der richtigen Mutationsstelle. Bei RuBisCO gibt es rund 450 Positionen, an denen eine Aminosäure ausgetauscht werden könnte. Doch welche soll(en) ersetzt werden? Und durch welche?

Kombination neuer Methoden

In einer neuen Studie zeigen Forschende aus den USA nun konkret auf, wie die Aminosäurensequenz der RuBisCO optimiert werden könnte. Sie nutzten dafür eine Kombination aus maschinellem Lernen und einem Hochdurchsatz-Assay. Zum Einsatz kam die RuBisCO des Bakteriums Rhodospirillum rubrum, die in der Forschung häufig verwendet wird.

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Das Team erzeugte zuerst eine Bibliothek von nahezu allen möglichen Einzelaminosäure-Mutationen von RuBisCO. Sie umfasste 8760 Mutanten, also 99 Prozent aller möglichen Mutanten mit einem Aminosäureaustausch. Diese Bibliothek transformierten sie anschließend in einen ganz besonderen Stamm von E.coli-Bakterien. Diese waren gentechnisch so verändert worden, dass sie proportional zur Carboxylierungsrate von RuBisCO wuchsen.

„Wenn die E. Coli-Zellen entweder doppelt so viel Rubiso hatten oder eine doppelt so schnelle RuBisCO, dann wuchsen sie auch doppelt so schnell“, erklärt Noam Prywes, Wissenschaftler an der Universität Berkeley, der die Experimente durchgeführt hat.

Die meisten Mutationen sind nicht tolerierbar

Nur 0,14 Prozent der Mutanten zeigten eine geringfügig bessere Leistung als der Wildtyp. Dieser positive Effekt ist voraussichtlich auf höhere Expressionsraten des Enzyms zurückzuführen: mehr RuBisCO – schnelleres Wachstum.

72 Prozent der Mutationen veränderten das Enzym so, dass es seiner Aufgabe nicht mehr nachkommen konnte. Dazu gehörten zum Beispiel Mutationen am aktiven Zentrum oder solche im Inneren des Enzyms. Aminosäureaustausche auf der Oberfläche des Enzyms wirkten sich meist nicht so negativ auf die Aktivität aus. Doch gab es hier auch Mutationen, die das Enzym aktiver machten?

Von besonderem Interesse ist der Loop 6 des Triosephosphat-Isomerase-Fasses, das sich während der Substrat-Bindung über das aktive Zentrum faltet und an der Katalyse beteiligt ist. Einige Aminosäuren in diesem Loop können mutiert werden, ohne dass das Enzym seine Funktion verliert (zum Beispiel E331 oder E333).

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CO₂-Affinität lässt sich erhöhen

In einem weiteren Experiment veränderten die Forschenden die CO₂-Konzentration in der Umgebung und maßen erneut die Wachstumsrate der Bakterien. Von immerhin 65 Prozent aller Mutanten konnten sie somit auch die CO₂-Affinitäten bestimmen.

Es zeigte sich, dass vier Mutationen die CO₂-Affinität um das Zwei- bis Dreifache erhöhen können.

Diese Mutationen befinden sich an Positionen im Enzym, die nicht Teil des aktiven Zentrums sind. Stattdessen liegen sie im RuBisCO-Homodimer an der nächstgelegenen Stelle zum jeweiligen Gegenstück im anderen Molekül. Welche Funktion sie für die Aufnahme von Kohlendioxid haben, ist noch unklar. Leider zeigten diese Mutationen keine erhöhte Spezifität für Kohlendioxid. Das bedeutet, dass diese RuBisCOs zwar schneller arbeiteten, aber nicht präziser.

„Die Ergebnisse haben uns überrascht, denn normalerweise denkt man bei einer RuBisCO mit erhöhter CO₂-Affinität an eine pflanzliche und nicht an eine bakterielle“, sagt Prywes. „Aber wir haben gezeigt, dass selbst eine einzige Mutation dazu in der Lage ist, Milliarden Jahre evolutionärer Unterschiede zu überbrücken.“

Kommt bald die Super-RuBisCO?

Fragt man Prywes nach der Möglichkeit, im Labor eine bessere RuBisCO zu erzeugen als die Natur es bisher geschafft hat, sieht er dafür mehrere Möglichkeiten: „Man könnte eine RuBisCO finden, die in jeder Hinsicht besser ist. Das ist nicht unmöglich, aber ich glaube, es ist sehr unwahrscheinlich. Oder man könnte eine RuBisCO erzeugen, die vielleicht einhundert Mal schneller ist, dafür aber viel weniger spezifisch. Das erscheint mir schon wahrscheinlicher und es ist auch logisch, warum die Natur das nicht gemacht hat.“

Doch er benennt noch einen weiteren spannenden Punkt. Die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre ist zurzeit fast doppelt so hoch wie noch vor 150 Jahren. Das bedeutet, dass jede RuBisCO, die die Natur je erschaffen hat, nicht mehr optimal auf die vorherrschenden Umweltbedingungen eingestellt ist. „Und weil RuBisCO sich natürlicherweise nur sehr langsam verändert, können wir Menschen vielleicht doch eine RuBisCO erschaffen, die besser ist als das Original. Aber einfach nur, weil wir Bedingungen geschaffen haben, die für die natürlichen Enzyme nicht optimal sind.“

Quelle:
Prywes, N., Phillips, N.R., Oltrogge, L.M. et al. A map of the RuBisCO biochemical landscape. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08455-0

Zum Weiterlesen auf Pflanzenforschung.de:

• Bakterien als „CO2-Fresser“ – Forscher zwingen E. coli zur Umstellung auf eine autotrophe Lebensweise
• Wie Grünalgen CO2 anreichern – Könnte dieser Mechanismus auch Nutzpflanzen optimieren?
• Photosynthese optimieren – Carboxysomen jetzt auch für Pflanzen

Titelbild: Eine 3D-Darstellung des RuBisCO-Moleküls: Das Enzym, das in Pflanzen und Bakterien für die Bindung von Kohlenstoffdioxid verantwortlich ist. (Bildquelle: © ARP, gemeinfrei / Wikipedia)