Pyrenoid a zvýšení fotosyntetické fixace uhlíku

Rostliny při fotosyntéze zabudovávají uhlík z oxidu uhličitého (CO₂) do organických látek. Používají k tomu enzym rubisco (ribulóza bisfosfát karboxyláza/oxygenáza, Vesmír 88, 221, 2009/4; 83, 130, 2004/3). V zemské atmosféře je koncentrace oxidu uhličitého, nehledě na její současný vzestup, řádově tisíckrát nižší než koncentrace kyslíku. Oxygenázová aktivita rubisco (vázání kyslíku na organický akceptor) proto velmi výrazně konkuruje jeho karboxylázové aktivitě (vázání CO₂ na tentýž akceptor). Situace trvá už stovky milionů let a rostliny opakovaně vyzkoušely několik způsobů, jak ji řešit zvýšením koncentrace CO₂ v blízkosti molekul rubisco. Jednou z možností je fotosyntéza C4 (Vesmír 92, 264, 2013/5). Vodní rostliny se navíc musejí vyrovnat s tím, že ve vodě difunduje oxid uhličitý asi desettisíckrát pomaleji než ve vzduchu. Většina mořských i sladkovodních řas (a také jedna skupina mechorostů, hlevíky) si pro zvýšení fixace anorganického uhlíku vytvořila uvnitř chloroplastu tělísko zvané pyrenoid. Tyto organismy dovedou aktivně transportovat oxid uhličitý do buňky a do chloroplastu. Ve stromatu chloroplastů se oxid uhličitý vyskytuje jako hydrogenuhličitanový aniont (HCO₃^–). Trubicovité útvary, tvořené thylakoidními membránami chloroplastu, transportují tyto anionty do nitra pyrenoidu. Zde jsou enzymaticky převáděny na CO₂, který se dostává do kontaktu s hustě a pravidelně uspořádanými molekulami rubisco. Pyrenoid bývá obalen zrny asimilačního škrobu (odtud jeho starý český název „škrobotvůrce“).

Celé popsané uspořádání snižuje ztráty oxidu uhličitého zpětnou difuzí z pyrenoidu. Vysoká koncentrace CO₂ uvnitř pyrenoidu podporuje karboxylační aktivitu rubisco. Asi třetina globální fixace uhlíku probíhá v pyrenoidech řas. Nyní byl u jednobuněčné zelené řasy rodu Chlamydomonas nově popsán protein pojmenovaný Essential Pyrenoid Component 1 (EPYC1), který se váže s molekulami rubisco. Zatím není jasné, jestli molekuly EPYC1 a rubisco při „výstavbě“ pyrenoidu vytvářejí prostorovou síť ve vzájemné interakci, nebo jestli protein EPYC1 „staví lešení“, na které se rubisco připojuje. Vysvětlení vzniku uspořádání molekul rubisco v pyrenoidu může pomoci relativně snadno vytvořit pyrenoid v chloroplastech zemědělských plodin s běžnou fotosyntézou C3. K tomu by bylo možno využít komponenty pyrenoidu řas. Výnos takto upravených plodin by se mohl zvýšit až o 60 % a zvýšila by se i účinnost využití dusíku a vody. Druhá z citovaných prací se zabývá mimo jiné prvními výsledky naznačeného úsilí. Popisuje molekulárně biologické „spárování“ řasy rodu Chlamydomonas a huseníčku (Arabidopsis), klasického modelového objektu molekulární biologie vyšších rostlin.