Các con đường tiến hóa của carboxysome. Nguồn: Ben Long, Đại học Quốc gia Úc.

Khoảng 20% ​​thời gian Rubisco cố định các phân tử oxy (O2) thay vì CO2, gây tốn kém năng lượng thực vật mà lẽ ra phải sử dụng để tạo ra năng suất. Quá trình tiêu tốn thời gian và năng lượng này được gọi là quang hô hấp, nơi thực vật gửi các enzim của nó qua ba ngăn khác nhau trong tế bào thực vật.

Ben Long, người dẫn đầu nghiên cứu gần đây được công bố trên PNAS cho dự án nghiên cứu có tên Thực hiện tăng hiệu quả quang hợp (RIPE) cho biết: “Tuy nhiên, nhiều sinh vật quang hợp đã phát triển các cơ chế để khắc phục một số hạn chế của Rubisco. Dự án RIPE, do Đại học Illinois đứng đầu hợp tác với Đại học Quốc gia Úc (ANU), đang lai tạo ra giống cây trồng để có năng suất cao hơn bằng cách cải thiện quá trình quang hợp. RIPE được hỗ trợ bởi Quỹ Bill & Melinda Gates, Quỹ Nghiên cứu Nông nghiệp & Thực phẩm, và Văn phòng Phát triển & Ngoại giao, Khối thịnh vượng chung và Vương quốc Anh.

Trưởng nhóm nghiên cứu Ông Long từ Trường Sinh học ANU cho biết: “Trong số các sinh vật này có vi tảo và vi khuẩn lam từ môi trường nước, có các enzim Rubisco hoạt động hiệu quả nằm bên trong các giọt protein lỏng và các ngăn chứa protein được gọi là pyrenoids và carboxysomes”.

Làm thế nào mà các ngăn protein này hỗ trợ trong chức năng Rubisco vẫn chưa hoàn toàn được biết. Nhóm từ ANU nhằm mục đích tìm ra câu trả lời bằng cách sử dụng một mô hình toán học tập trung vào phản ứng hóa học mà Rubisco thực hiện. Khi thu CO2 từ khí quyển, Rubisco cũng giải phóng các proton tích điện dương.

Long cho biết: “Bên trong các ngăn của Rubisco, những proton này có thể tăng tốc độ Rubisco bằng cách tăng lượng CO2 có sẵn. Các proton thực hiện điều này bằng cách giúp chuyển bicarbonate thành CO2. Bicarbonate là nguồn chính của CO2 trong môi trường nước và các sinh vật quang hợp sử dụng bicarbonate có thể cho chúng ta biết nhiều điều về cách cải thiện giống cây trồng”.

Mô hình toán học mang lại cho nhóm ANU một ý tưởng tốt hơn về lý do tại sao những ngăn Rubisco đặc biệt này có thể cải thiện chức năng của enzim và nó cũng giúp họ hiểu rõ hơn về cách chúng tiến hóa. Một giả thuyết từ nghiên cứu cho rằng các giai đoạn CO2 thấp trong bầu khí quyển cổ đại của trái đất có thể là nguyên nhân kích thích vi khuẩn lam và vi tảo tiến hóa các ngăn chuyên biệt này, trong khi chúng cũng có thể có lợi cho các sinh vật phát triển trong môi trường ánh sáng yếu.

Các thành viên ANU của dự án Thực hiện Tăng hiệu quả Quang hợp (RIPE) đang cố gắng xây dựng các ngăn Rubisco chuyên biệt này trên cây trồng để hỗ trợ tăng năng suất.