Fotosentez Verimliliğini 20 Kat Artırabilecek Mikroorganizmalar

Konu karbonu fikse etmeye gelince, bitkiler bunu 20 kat daha hızlı yapabilecek toprak bakterileri üzerinde herhangi bir etkiye sahip değildir. Bunun sırrı, reaksiyon bileşenleri üzerinde ‘hokkabazlık eden’ bir enzimdir. Bilim insanları, CO2‘den yakıt, antibiyotik ve diğer ürünleri üretmek için bu süreci optimize etmeyi ummaktadırlar.

Bitkiler, varlıkları için karbon fiksasyonu adı verilen, havadaki karbondioksiti karbon açısından zengin biyomoleküllere dönüştüren bir süreci dayanmaktadırlar. Bu, fotosentezin bütün amacıdır ve dünyadaki yaşamı sürdürmek için bitkiler, hayvanlar, mikroplar ve atmosfer arasında karbonu dolaştıran geniş iç içe geçme sisteminin temel taşıdır.

Ancak karbon fiksasyonu kahramanları bitkiler değil, toprak bakterileridir. Bazı bakteriyel enzimler, karbon fiksasyonunu bitki enzimlerinden 20 kat daha hızlı önemli bir şekilde gerçekleştiren anahtar bir adım içerir ve bunu nasıl yaptıklarını bulmak, bilim insanlarının sera gazını yakıtlara, gübrelere, antibiyotiklere ve diğer ürünlere dönüştürmek için yapay fotosentez formları geliştirmelerine yardımcı olabilir.

Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, Stanford Üniversitesi, Almanya’daki Max Planck Karasal Mikrobiyoloji Enstitüsü, DOE’nin Ortak Genom Enstitüsü (JGI) ve Şili’deki Concepción Üniversitesi’nden araştırmacılardan oluşan bir ekip, bir bakteriyel enzimin – bir kimyasal reaksiyonları kolaylaştıran moleküler makine – karbonu fikse etmek için bu reaksiyonu nasıl hızlandırdığını keşfettiler.

Karbondioksit moleküllerini alıp biyomoleküllere birer birer eklemek yerine, bu enzimin işi daha hızlı yapmak için aynı anda hem topları hem de topları yakalayan bir hokkabazın elleri gibi senkronize çalışan molekül çiftlerinden oluştuğunu buldular. Her enzim çiftinin bir üyesi, bir dizi reaksiyon bileşenini yakalamak için genişçe açılır, diğeri ise yakalanan bileşenlerini kapatır ve karbon fiksasyon reaksiyonunu gerçekleştirir; daha sonra, sürekli bir döngü içinde rolleri değiştirirler.

Tek bir moleküler “tutkal” noktası, her bir enzimatik eli bir arada tutar. Ekip, bu sayede koordineli bir şekilde açılıp kapanmayı değiştirebildiklerini keşfetti. Bu sırada bir döndürme hareketi, reaksiyonların gerçekleştiği ceplere giren ve çıkan bileşenler ile oluşan ürünlerin hızlı hareket etmelerine yardımcı olur. Hem yapıştırıcı hem de döndürme var olduğunda, karbon fiksasyonu reaksiyonu, bunlar olmadan olduğundan 100 kat daha hızlı ilerler.

SLAC ve Stanford’da profesör ve bu hafta ACS Central Science’da yayınlanan çalışmada kıdemli liderlerinden biri olan Soichi Wakatsuki, “Bu bakteriyel enzim, bildiğimiz en verimli karbon fikse edici enzimdir ve neler yapabileceğine dair net bir açıklama bulduk” dedi. 

“Bu ailedeki bazı enzimler yavaş ama çok spesifik bir şekilde tek bir ürün üretmek için hareket ediyor” dedi. “Diğerleri çok daha hızlı ve her türlü ürün için kimyasal yapı taşları üretebiliyor. Artık mekanizmayı bildiğimize göre, her iki yaklaşımın en iyi özelliklerini birleştiren enzimler üretebilir ve her türlü başlangıç malzemesiyle çok hızlı bir iş yapabiliriz.”

Doğayı Geliştirmek

Ekibin incelediği enzim, enoyl-CoA karboksilazlar/redüktazlar veya ECR’ler adı verilen bir ailenin parçasıdır. Kitasatospora setae adı verilen ve karbon fikse etme becerilerine ek olarak antibiyotik de üretebilen toprak bakterilerinden gelir.

Wakatsuki, bu enzim ailesini yarım düzine yıl önce Almanya’daki Max Planck Karasal Mikrobiyoloji Enstitüsü’nden Tobias Erb ve JGI’dan Yasuo Yoshikuni’den duydu. Erb’in araştırma ekibi, atmosferdeki karbondioksiti (CO2) her türlü ürüne dönüştürmek için yapay fotosentez için biyoreaktörler geliştirmek için çalışıyordu.

Erb, fotosentezin dünyada var olan yaşam kadar önemli olduğunu, ancak bunun çok verimli olmadığını belirtti. Çağlar boyunca evrimle şekillenen her şey gibi, bu yalnızca olması gerektiği kadar iyidir, önceki gelişmelerin üzerine yavaş yavaş inşa etmenin, ancak asla tamamen yeni bir şey icat etmemenin bir sonucudur.

Dahası, dedi, Rubisco adlı bir enzime dayanan havadaki CO2‘yi fikse eden doğal fotosentez adımı, tüm fotosentetik reaksiyonlar zincirini tıkayan bir darboğazdır. Dolayısıyla, bu adımı gerçekleştirmek için hızlı ECR enzimlerini kullanmak ve onları daha da hızlı gidecek şekilde tasarlamak, verimlilikte büyük bir artış sağlayabilir.

Erb, “Fotosentezin karbon kopyasını çıkarmaya çalışmıyoruz” dedi. “Doğa kavramlarını yeniden inşa etmek için mühendislik anlayışımızı kullanarak çok daha verimli bir süreç tasarlamak istiyoruz. Bu ‘fotosentez 2.0’, yapay kloroplastlar – yağda asılı duran su damlacıkları gibi canlı veya sentetik sistemlerde gerçekleşebilir.”

Bir Enzimin Tasviri

Wakatsuki ve grubu, azot gazını atmosferden canlıların ihtiyaç duyduğu bileşiklere dönüştüren azot fiksasyonu ile ilgili bir sistemi araştırıyordu. ECR enzimlerinin neden bu kadar hızlı olduğu sorusuyla ilgilenerek, yanıtlar bulmak için Erb’nin grubuyla işbirliği yapmaya başladı.

Wakatsuki’nin grubunda araştırma görevlisi olarak çalışmış olan, şu anda Koç Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan ve Stanford PULSE Enstitüsü’nde araştırmacı olan Hasan Demirci, gözetiminde çalışan yarım düzine SLAC yaz stajyerinin yardımıyla SLAC’taki çalışmalara öncülük etti. “Her yıl altı ya da yedi kişiyi eğitiyoruz ve korkusuzlardı. Açık fikirli, öğrenmeye hazır bir şekilde geldiler ve harika şeyler yaptılar.” diye belirtti.

SLAC ekibi, ECR enziminin örneklerini hazırladılar ve bunları DOE’nin Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki Gelişmiş Foton Kaynağında X-ışınları ile incelenmek üzere kristalleştirdi. X-ışınları, enzimin moleküler yapısını – atomik yapı iskelesinin düzenini ortaya çıkardı. Bunu hem kendi başına hem de çalışmasını kolaylaştıran küçük bir yardımcı moleküle ekleyerek gerçekleştirdiler.

SLAC’ın Stanford Synchrotron Radyasyon Işık Kaynağında (SSRL) yapılan diğer X-ışını çalışmaları, enzimin yapısının, karbon fiksasyon reaksiyonu için bileşenleri bir araya getiren ve reaksiyonu hızlandıran bir substrata bağlandığında nasıl değiştiğini gösterdi.

Son olarak, SLAC’ın Linac Tutarlı Işık Kaynağından (LCLS) bir araştırmacı ekibi, Japonya’nın SACLA X-ışını serbest elektron lazerinde enzim ve substratı hakkında daha ayrıntılı çalışmalar yaptı. Bir X-ışını lazeri seçimi önemliydi çünkü enzimin davranışını oda sıcaklığında – doğal ortamına daha yakın – neredeyse hiç radyasyon hasarı olmadan incelemelerine izin verdi.

Bu arada, Almanya’daki Erb’in grubu ve Şili’deki Concepción Üniversitesi’ndeki Doçent Esteban Vohringer-Martinez’in grubu, Wakatsuki ve ekibi tarafından toplanan yapısal verileri anlamlandırmak için ayrıntılı biyokimyasal çalışmalar ve kapsamlı dinamik simülasyonlar gerçekleştirdi.

Wakatsuki, simülasyonların, enzimin iki bölümünün açılıp kapanmasının sadece moleküler yapıştırıcıyı içermediğini, aynı zamanda her enzim çiftinin merkezi ekseni etrafındaki döndürme hareketlerini de içerdiğini ortaya koydu.

“Bu döndürme, bitmiş bir ürünü dışarı itebilen veya reaksiyonun gerçekleştiği cebe yeni bir dizi bileşeni çekebilen bir raket gibidir” dedi. Birlikte, enzim çiftlerinin döndürülmesi ve senkronizasyonu, karbonu saniyede 100 kez fikse etnesine izin verir.

ECR enzim ailesi ayrıca çeşitli ürünler üretmek için birçok farklı türde biyomolekül ile etkileşime girebilen daha çok yönlü bir dal içerir. Ancak moleküler yapıştırıcı tarafından bir arada tutulmadıkları için hareketlerini koordine edemezler ve bu nedenle çok daha yavaş çalışırlar.

Wakatsuki, “Yeni biyomoleküller yapmak için bu karmaşık reaksiyonların hızını artırabilirsek, bu alanda önemli bir sıçrama olur” dedi.

Statik Çekimlerden Akıcı Filmlere

Şimdiye kadar deneyler, çeşitli konfigürasyonlarda enzimin, reaksiyon bileşenlerinin ve nihai ürünlerin statik anlık görüntülerini üretti.

Wakatsuki, “Hayal ettiğimiz deney, tüm bileşenleri X-ışını lazer ışınının yolunda akarken birleştirmek, böylece reaksiyonun gerçek zamanlı olarak gerçekleşmesini izleyebilmek olurdu.” dedi.

Ekip aslında bunu SACLA’da denedi, ama işe yaramadı. “CO2 molekülleri gerçekten çok küçük ve o kadar hızlı hareket ediyorlar ki alt tabakaya bağlandıkları anı yakalamak zor” dedi. “Ayrıca X-ışını lazer ışını o kadar güçlü ki, bileşenleri reaksiyonun gerçekleşmesi için yeterince uzun süre tutamadık. Bunu yapmak için çok bastırdığımızda kristalleri kırmayı başardık.”

LCLS’ye yaklaşan yüksek enerjili bir iyileştirme, muhtemelen bu sorunu çözecek, çok daha sık – saniyede bir milyon kez – gelen darbelerle ve her numune için ideal güce ayrı ayrı ayarlanabiliyor, diye ekledi.

Wakatsuki, ekibinin Erb’in grubuyla işbirliğine devam ettiğini ve bu yaklaşımı işe yarayacak bir yol bulmak için LCLS numune dağıtım grubu ve SLAC-Stanford kriyojenik elektron mikroskobu (kriyo-EM) tesislerindeki araştırmacılarla birlikte çalıştığını söyledi.

RIKEN Spring-8 Center ve Japan Synchrotron Radyasyon Araştırma Enstitüsü’nden araştırmacılar da DOE Bilim Ofisi’nden büyük fon alan bu çalışmaya katkıda bulundular. Bu çalışmanın ön çalışmalarının çoğu, SLAC yaz stajyeri Yash Rao tarafından gerçekleştirildi; stajyerler Brandon Hayes, E. Han Dao ve Manat Kaur da önemli katkılarda bulundu. DOE’nin Ortak Genom Enstitüsü, ECR numunelerini üretmek için kullanılan DNA’yı sağladı. SSRL, LCLS, Advanced Photon Source ve Joint Genome Institute, DOE Office of Science kullanıcı araçlarıdırlar.^[1]Hasan Demirci et al., ACS Central Science, 25 April 2022 (10.1021/acscentsci.2c00057)

[cite]