Hrátky s enzymem rubisco

Enzym rubisco, který stojí na počátku fotosyntetického příjmu oxidu uhličitého rostlinami, se pomalu dostává do obecného povědomí. Hlavním důvodem je nejspíše skutečnost, že byl „nominován“ na nejrozšířenější bílkovinu na Zemi (Vesmír 83, 130, 2004/3). Protože je velký, pomalý a vazbu oxidu uhličitého soupeřivě ohrožuje kyslík, musí ho být v listech velké množství (až polovina všech bílkovin). Vytvořit jeho rychlejší a pro CO₂ specifičtější formu je tedy pro molekulární biology velkou výzvou. Dlouholetý výzkum na tomto poli však odkrývá některé nepřekonatelné překážky. Mechanizmus jeho reakční katalýzy totiž umožňuje jen „něco za něco“, nikoliv kompletní zdokonalení všech jeho vlastností (což se z filozofie fungování světa dalo samozřejmě očekávat). Hlavním takovým kompromisem je vztah rychlosti katalýzy (kolik molekul CO₂ dokáže jeden komplex rubisco za sekundu zpracovat) a CO₂ specifity (jak ochotně enzym váže CO₂ oproti kyslíku při jejich stálém poměru). Buď bude enzym rychlejší, ale bude si více plést CO₂ s O₂, nebo bude CO₂ rozpoznávat spolehlivěji, ale reakce poběží pomaleji (pro dosažení stejné rychlosti fotosyntézy bude muset rostlina vytvořit více rubisco).

Vypadá to jako z bláta do louže, ale není tomu tak. Výhodnost různé polohy na tomto dvourozměrném kontinuu totiž záleží na různých podmínkách prostředí, zejména na koncentraci CO₂. Pokud je ho ve vzduchu (nebo ve vodě) hodně, vyplatí se rychlý enzym s malou specifitou a naopak. A opravdu, když vědci porovnávali tyto vlastnosti u rubisco z různých rostlin C₃ (druhů, které nemají mechanizmus koncentrování CO₂), zjistili, že poměr dvou parametrů (rychlost versus specifita) je u různých rostlin velmi podobný a výhodný pro koncentraci CO₂ ve vzduchu asi 0,02 %. To je hodnota blízká našemu odhadu průměrné koncentrace CO₂ během celých čtvrtohor. Dnešní koncentrace CO₂ je však téměř dvojnásobná. Protože k vzrůstu minimálně o 0,01 % došlo jen od začátku průmyslové revoluce, zdá se, že se rostliny nestačily během evolučně extrémně krátké doby (půldruhého století) ještě přizpůsobit. Dnešním „poměrům“ by tedy odpovídalo rubisco o něco rychlejší a méně specifické. To může být šance pro genové inženýry jak bez porušení zákonů fyziky a chemie adaptovat rubisco dnešním poměrům.

Tomu, že jde v tomto směru o enzym velmi přizpůsobivý, nasvědčuje i situace u rostlin C₄ (druhů, které umějí koncentrovat CO₂ poblíž rubisco). Jejich forma enzymu je mnohem rychlejší, ale k CO₂ v porovnání s O₂ méně příchylná – přesně jak odpovídá zmíněné logice. Další myšlenka zvýšení účinnosti využívání rubisco (a tedy i fotosyntézy) počítá s jiným rubisco v horních a jiným ve spodních listech rostlinného zápoje. Nahoře svítí více sluníčka, a proto se tam vyplatí rychlejší forma i za cenu vázání části kyslíku. Spodní patra jsou zastíněna (fotosyntéza je tedy pomalejší), a enzym většinou nepracuje naplno. Je tedy výhodnější, aby byl co nespecifičtější vůči CO₂ (pomalost nevadí). Zvláštní je, že toto zdvojení rostliny „nenapadlo“, když duplikace genů a vytváření různých izoforem enzymů v různých částech těla (nebo v různý čas) jsou v přírodě běžné.

Vidíme, že ekologicko-evoluční přístup umožňuje „vymyslet“ zlepšení i tam, kde se termodynamická omezení zdají nanejvýše svazující. Je však nutno připomenout: i když se tato zlepšení podaří uskutečnit, nemusí to ještě znamenat zvýšení sklizně „vylepšených“ odrůd. Zvýšená rychlost fotosyntézy je totiž jen jedním z řady předpokladů nutných k zvýšení produkce námi požadované komodity, tedy např. zrna hlíz a podobně, viz též Vesmír 84, 156, 2005/3. (Plant, Cell and Environment 29, 315–330, 2006)