Günümüzde süregelen yaşam, dünyadaki karbondioksit (CO2) döngüsünü yöneten bitkiler ve algler gibi fotosentetik organizmalar tarafından sürdürülmektedir. Bu süreç, prokaryotlardan ökaryotlara kadar çoğu ototrofik organizmada bulunan ve biyosferde karbon fiksasyonundan sorumlu kısıtlı bir enzim olan Ribuloz-1,5-bifosfat karboksilaz/oksijenazlar (Rubisco) tarafından katalizlenmektedir. Milyarlarca yıl önce evrimleşmiş olan Rubisco’lar doğada 4 farklı formda (I-IV) bulunmakla birlikte sıklıkla Form I Rubisco olarak izlenmektedir. Form I Rubisco’lar yapısal olarak “sekiz katalitik büyük alt birimden (LSU’lar) ve sekiz katalitik olmayan küçük alt birimden (SSU’lar)” oluşmaktadır. Karmaşık aerobik yaşamın ve oksijenli fotosentezin yükselişinde önemli bir adım olan Rubisco’ların evrimi ile ilgili yapılan çalışmalar, SSU’nun Rubisco katalizini etkilediğini ve CO2’ye karşı artan özgüllükten kısmen sorumlu olabileceğini göstermiştir; ancak Rubisco’daki artan CO2 özgüllüğünün moleküler belirleyicileri tam olarak bilinmemektedir.
Schulz ve arkadaşları çalışmalarında, Rubisco’nun nasıl ve ne zaman yüksek bir özgüllük kazandığını belirlemek için biyokimyasal, yapısal, hesaplamalı ve sentetik yaklaşımların bir kombinasyonunu kullanarak, milyar yıllık enzimleri yeniden canlandırarak incelemiştir. Öncelikle, laboratuvarda atasal dizi rekonstrüksiyonu ile yeniden oluşturulan Rubisco formlarına ait LSU ve SSU’ların maksimum olabilirlik (likehood) filogenileri çıkartılmıştır. Sonrasında CO2 özgüllüğünden sorumlu olduğu düşünülen SSU’ların özelliklerini anlamak için SSU benzer dallara sahip olan metagenomik Rubisco’lar saflaştırılıp SSU’nun kazancından önce (AncL) ve sonra (AncLS) var olan atasal LSU dizileri ile atasal SSU’nun (AncSSU) kütle fotometresi (MP) yöntemi kullanılarak oligomerizasyon durumlarını ölçmüştür. Bu ölçümler sırasında Form I-α Rubiscos’un toplam stokiyometrisi (element ölçüsü) L8S8 olan ve hekzadekamerler halinde bulunan form I Anaero varyantları oluşturduğu ve termal kararlılığının yüksek bir kataliz sıcaklığı sergilediği görülmüştür. Ek olarak, Form I Rubiscos’da AncL’de bir homo-oktamer yapı gözlenirken AncLS’nin AncSSU ile bir L8S8 heterokompleksi oluşturduğu tespit edilmiştir. AncSSU’nun ortak üretimi olan ve olmayan atasal Rubisco I’e ait ham ve çözünür lizatlarda sodyum dodesil sülfat–poliakrilamid jel elektroforez (SDS-PAGE), Western Blot yöntemleri çözünür AncLS veriminin AncSSU yokluğunda azaldığı ve AncL’nin SSU ile etkileşime giremediği saptanmıştır.
Elde edilen bulgulara dayanarak LSU-SSU etkileşimini sağlayan mekanizmaları aydınlatmak amacıyla küçük bir substitüsyon (ikame) seti ile AncL’nin SSU ile etkileşebildiği bir model oluşturulmuştur ve AncL+7’nin L8S8 heterokompleksi oluşumunu sağladığı gözlemlenmiştir. AncSSU varlığında veya yokluğunda AncL+7’nin kinetik karakterizasyonu ve karboksilasyon oranları ve yapısal bağlanma konfigürasyonları analizleri, SSU’nun Form I Rubisco’un katalitik aktivitesini allosterik olarak geliştirdiğini yani bir modülatör görevi gördüğünü; bununla birlikte SSU’nun AncLS zamanından önce evrimleştiğini ortaya koymuştur.
Rubisco’nun SSU’ya bağımlılığının mekanizmaları, AncLS substitusyon setindeki 7 ikamenin AncL+7’ye nakledilmesiyle oluşturulan AncL+14 setinde araştırılmıştır. AncL+14 sadece AncSSU birlikte üretildiği olduğu zaman L8S8 heterokompleks oluşturarak çözünür duruma geçebilmiştir. Sonuçlar, Rubisco’nun çözünürlük ve kataliz için SSU’ya bağlı olarak evrimleştiği şeklinde yorumlanmıştır. İleri analizler, ardışık mutasyonların Rubisco’nun SSU üzerindeki etkisini değiştirdiğini ve önceden önemsiz olduğu düşünülen bu mutasyonların, SSU varlığında özgüllük üzerinde katkıda bulunduğunu göstermiştir.
Sonuç olarak, Dünyada kütlesel olarak en çok bulunan ve fotosentezde merkezi bir rol oynamayan Rubisco’ların in vitro olarak yeniden canlandırılması ile CO2 fiksasyonunun erken dönemlerine ait mekanizmanın deşifre edilmesini sağlamıştır. Elde edilen sonuçlar, günümüz fotosentezinin evrimine ışık tutmaktadır.
Yazar: Barış Alkış
Editör: İrem Coşkuntan
Referans: Schulz, L., Guo, Z., Zarzycki, J., Steinchen, W., Schuller, J. M., Heimerl, T., Prinz, S., Mueller-Cajar, O., Erb, T. J., & Hochberg, G. (2022). Evolution of increased complexity and specificity at the dawn of form I Rubiscos. Science (New York, N.Y.), 378(6616), 155–160. https://doi.org/10.1126/science.abq1416
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
Students at Anadolu University OEF and Mehmet Akif Ersoy University Educational Institutions