🌱 MIT verbessert durch gerichtete Evolution die Effizienz der Photosynthese deutlich

Forscher des MIT haben einen wichtigen Durchbruch bei der Optimierung von Rubisco erzielt, einem zentralen Enzym der Photosynthese. Durch die Modifikation einer bakteriellen Version dieses Moleküls erreichten sie eine um 25 % höhere katalytische Aktivität, was vielversprechende Perspektiven für die Landwirtschaft eröffnet.

Rubisco: ein Schwachpunkt der Photosynthese

Rubisco wandelt atmosphärisches CO₂ in Zucker um, ein essenzieller Schritt des pflanzlichen Stoffwechsels. Doch es leidet unter begrenzter Effizienz: Seine Langsamkeit und Sauerstoffempfindlichkeit führen zu Energieverlusten bei Pflanzen und reduzieren deren Ertrag.

Mehrere Versuche, dieses Enzym zu verbessern, hatten nur geringe Erfolge gezeigt. Das MIT-Team nutzte einen anderen Ansatz: kontinuierliche gerichtete Evolution, eine Methode, die eine breite Palette von Mutationen untersuchen kann.

Die Forscher entschieden sich für die Arbeit an einer bakteriellen Version von Rubisco, die für ihre Schnelligkeit bekannt, aber schlecht an eine sauerstoffreiche Umgebung angepasst ist. Durch ihre Methode erzielten sie Mutationen, die die Selektivität für CO₂ verbessern und unnötige Reaktionen mit Sauerstoff begrenzen.

Die Mutationen betreffen Regionen nahe dem aktiven Zentrum des Enzyms und verändern sein Verhalten, ohne die Grundstruktur zu beeinträchtigen. Dieses Ergebnis ist ein Proof of Concept für zukünftige Anwendungen in Pflanzen.

Hin zu produktiveren und wassersparenderen Pflanzen

Das Ziel ist nun, diese Strategie auf die deutlich komplexere pflanzliche Rubisco zu übertragen. Eine optimierte Version könnte die Photorespiration reduzieren, einen energieintensiven Prozess, der ausgelöst wird, wenn das Enzym Sauerstoff statt CO₂ aufnimmt.

Langfristig könnte dieser Fortschritt die landwirtschaftlichen Erträge steigern oder den Wasserbedarf senken – entscheidende Herausforderungen in Zeiten des Klimawandels.

Zoom: Wie funktioniert gerichtete Evolution?

Gerichtete Evolution simuliert im Labor den Prozess der natürlichen Selektion. Sie erzeugt zufällig Tausende von Mutationen in einem bestimmten Gen und isoliert dann die leistungsfähigsten Varianten.

Das MIT-Team nutzte eine automatisierte Version dieser Technik namens MutaT7, die den Prozess beschleunigt, indem sie direkt in lebenden Zellen arbeitet. Diese Methode vermeidet in-vitro-Manipulationsschritte und ermöglicht sehr schnelle Optimierungszyklen.

Dieser Ansatz könnte auf andere Enzyme ausgeweitet werden, die für Biotechnologie, Gesundheit oder Umwelt von Interesse sind.