Plantas algas, y otros organismos producen la enzima RuBisCO para convertir el dióxido de carbono de la atmósfera en moléculas ricas en energía, como la glucosa, que forman carbohidratos y otros compuestos orgánicos de carbono esenciales para la vida en la tierra.

Este proceso catalítico se llama "fijación de carbono". Una mejor comprensión de la actividad específica involucrada cuando RuBisCO pone en marcha esta reacción química podría ser fundamental para mejorar la eficiencia de la enzima y facilitar un crecimiento más rápido de las plantas, un resultado deseable que podría aumentar el rendimiento de los cultivos mientras se conservan los fertilizantes y los recursos naturales.

Para tal fin, Investigadores de la Universidad de Uppsala están usando neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para determinar la estructura de la proteína de una muestra de RuBisCO obtenida de hojas de espinaca.

"Esperamos comprender la fijación de carbono en detalle a nivel atómico, lo que nos ayudaría a descubrir exactamente qué le está sucediendo a cada molécula de dióxido de carbono que la enzima saca de la atmósfera y lleva a la biosfera, "dijo el investigador principal Marvin Seibert.

Durante la fijación, los organismos "fijan" el carbono en su lugar uniéndolo a moléculas orgánicas.

A pesar de jugar un papel tan importante en este proceso, RuBisCO es excepcionalmente lento e ineficiente. Para compensar, las plantas se ven obligadas a dedicar una parte sustancial de sus valiosos recursos a producir grandes cantidades de la enzima.

"Una cantidad significativa del nitrógeno que una planta necesita para su crecimiento se destina a producir RuBisCO, que a su vez recoge el carbono necesario para la fotosíntesis, "Dijo Seibert." Por cierto, gran parte del fertilizante que ponemos en los campos termina en las proteínas internas de las plantas para contribuir a este proceso ".

Debido a que se produce como respuesta a la demanda constante de carbono, Podría decirse que RuBisCO puede clasificarse como una de las enzimas más abundantes del planeta. Los científicos estiman que, en algún momento, cada átomo de carbono de cada organismo ha pasado por la fijación de carbono.

Si las plantas pudieran prosperar y completar la fijación de carbono en condiciones más eficientes, tal ahorro de costos, Los resultados respetuosos con el medio ambiente podrían contribuir a mejoras generales en el valor agrícola y económico de cultivos importantes utilizados para la alimentación. biocombustibles, y otros fines prácticos.

Aunque los científicos han utilizado técnicas de rayos X para estudiar RuBisCO en el pasado, Los métodos de dispersión de neutrones tienen la clara ventaja de ser sensibles al hidrógeno. Aproximadamente la mitad de los átomos de las biomoléculas son átomos de hidrógeno, lo que significa que la capacidad de identificar su ubicación y estructura es primordial para caracterizar la estructura atómica de la enzima.

"Si podemos producir una estructura de cristalografía de neutrones donde podamos ver los átomos de hidrógeno en el sitio activo de RuBisCO, Deberíamos poder investigar el mecanismo catalítico de la enzima y aprender más sobre la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos de carbono. "Dijo Seibert.

Trabajando con la científica de ORNL Flora Meilleur, el equipo sueco persigue este objetivo en el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de ORNL utilizando el instrumento IMAGINE, Línea de luz HFIR CG-4-D. También están ejecutando experimentos complementarios en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL utilizando el instrumento MaNDi, Línea de luz SNS 11B.

Previamente, los investigadores se basaron en hipótesis y modelos para examinar la actividad catalítica de RuBisCO, pero anticipan que la investigación de la dispersión de neutrones proporcionará una base más concreta sobre la cual construir estudios futuros.

"Obtuvimos resultados en los primeros cinco minutos, y ver el éxito tan rápido es muy inusual, ", Dijo Seibert." La combinación de gran instrumentación y gente maravillosa aquí hace posible este experimento ".