Bacteriën worden al lang erkend als kleine krachtpatsers, maar nu krijgen wetenschappers een beter inzicht in de manier waarop ze kooldioxide opvangen – kennis die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de oplossingen voor klimaatverandering. Onderzoekers van de Universiteit van Liverpool en Newcastle University hebben de code gekraakt van carboxysomen, microscopisch kleine compartimenten in bacteriën die fungeren als miniatuurfabriekjes voor het afvangen van koolstof.
Hun baanbrekende onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, onthult de ingewikkelde structuur van deze ‘nanomachines’ met ongekende details. Carboxysomen zijn essentieel voor de mondiale koolstofcyclus omdat ze CO₂ concentreren en omzetten in bruikbare vormen, waardoor veel bacteriën kunnen gedijen, zelfs in omgevingen waar dit essentiële gas schaars is.
Decennia lang hebben wetenschappers moeite gehad om precies vast te stellen hoe een sleutelenzym binnen carboxysomen, koolzuuranhydrase (CsoSCA) genaamd, zich in deze op eiwitten gebaseerde compartimenten assembleert en functioneert.
Met behulp van geavanceerde technieken zoals cryo-elektronenmicroscopie – waarbij in wezen uiterst gedetailleerde ‘snapshots’ worden gemaakt van moleculen met een bijna atomaire resolutie – visualiseerde het team CsoSCA van een modelbacterie genaamd Halothiobacillus neapolitanus. Ze ontdekten dat het enzym een ongebruikelijke hexagonale structuur vormt (zoals zes aaneengesloten cirkels) en is ingesloten in de carboxysoomschaal door flexibele, niet-specifieke interacties met schaaleiwitten. Deze bevinding daagde eerdere aannames uit over hoe dit enzym op zijn plaats was verankerd.
De studie bracht ook een verrassend verband aan het licht tussen CsoSCA en Rubisco, een ander cruciaal enzym dat betrokken is bij de CO₂-fixatie. Deze interactie suggereert dat bacteriën een modulaire ‘toolkit’-aanpak hebben ontwikkeld om deze machines voor het opvangen van koolstof te bouwen, waarbij hun efficiëntie wordt geoptimaliseerd door enzymen zorgvuldig in het carboxysoom te rangschikken.
Engineering van de natuurontwerpen voor een duurzame toekomst
Het begrijpen van dit ingewikkelde assemblageproces biedt een blauwdruk voor bio-engineering en klimaatinnovatie. Stel je voor dat je de kracht van deze natuurlijk voorkomende nanomachines kunt benutten om:
- Verhoog de gewasopbrengsten: Verbeter de CO₂-fixatie in planten, wat leidt tot een verhoogde gewasproductie en mogelijk de zorgen over de voedselzekerheid in verband met de klimaatverandering vermindert.
- Ontwerp innovatieve materialen: Creëer designer-nanomaterialen die fungeren als zeer efficiënte katalysatoren voor verschillende industriële processen, waardoor de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen wordt verminderd.
- Ontwikkel biosensoren van de volgende generatie: Bouw gevoelige biosensoren die CO₂-niveaus in de omgeving of binnen biologische systemen kunnen detecteren en monitoren.
Hoewel dit onderzoek een fundamenteel inzicht verschaft in de organisatie van carboxysomen, zal verder onderzoek onderzoeken hoe deze kleine fabriekjes in levende cellen functioneren en synthetische carboxysomen optimaliseren voor toepassingen in de echte wereld.
Door geavanceerde beeldvormingstechnieken te combineren met geavanceerde moleculaire engineering, willen onderzoekers deze modellen verfijnen en kunstmatige omhulsels ontwikkelen die in staat zijn nog hogere concentraties katalytische enzymen in te kapselen – waardoor het volledige potentieel van de ingenieuze koolstofafvangtechnologie van de natuur wordt ontsloten voor een duurzamere toekomst.
