یکی از مهم‌ترین چالش‌های زیست‌فناوری امروز بهبود عملکرد آنزیم روبیسکو[1] است؛ آنزیمی که در فرایند فتوسنتز نقش اساسی ایفا می‌کند و تعیین‌کننده میزان بهره‌وری گیاهان از انرژی خورشیدی است. روبیسکو، به‌دلیل واکنش‌های ناخواسته با اکسیژن، موجب پدیده‌ای به نام فوتوتنفس می‌شود که می‌تواند حدود ۳۰ درصد از انرژی جذب‌شده گیاهان را هدر دهد؛ مشکلی که مستقیماً بر کشاورزی و امنیت غذایی جهانی اثرگذار است.
پژوهشی نوآورانه در دانشگاه MIT توسط محققان بر بهبود عملکرد آنزیم حیاتی روبیسکو متمرکز شده است. روبیسکو، کاتالیزور اصلی تثبیت کربن دی‌اکسید در فتوسنتز، نقش کلیدی در چرخه کربن و امنیت غذایی جهانی ایفا می‌کند. با این حال، تمایل این آنزیم به واکنش با اکسیژن به جای CO₂، منجر به هدررفت انرژی گیاهان می‌شود.
از باکتری تا کشاورزی سبز
به گفته دکتر شولدرز، سرپرست این پروژه، “هدف ما این است که ویژگی‌های سینتیکی روبیسکو را تغییر دهیم تا بتواند در محیط‌های غنی از اکسیژن، با کارایی بیشتری عمل کند و انرژی گیاه را هدر ندهد.” در این پژوهش، دانشمندان کار خود را با یک نسخه سریع‌العمل از روبیسکو از خانواده باکتری‌های گالیولناسه[2] آغاز کردند پیش‌تر برای بهبود عملکرد روبیسکو از روشی به نام PCR خطاپذیر[3] استفاده می‌شد. این تکنیک با ایجاد جهش‌های محدود روی ژن هدف، امکان بررسی تغییرات اندکی در کارایی آنزیم را فراهم می‌کرد. اما این فرآیند نه‌تنها تعداد جهش‌های قابل بررسی را محدود می‌ساخت، بلکه با مراحل دستی و زمان‌بر همراه بود. اکنون تیم پژوهشگران MIT با بهره‌گیری از فناوری جهش‌زایی نوین MutaT7 گامی فراتر نهاده‌اند. این روش اجازه می‌دهد جهش و غربال‌گری هم‌زمان در سلول زنده انجام شود و سرعت بررسی هزاران جهش افزایش یابد. همان‌طور که دکتر مک‌دونالد، عضو این تیم تحقیقاتی، اشاره می‌کند: “تکنیک تکامل هدایت‌شده پیوسته، امکان بررسی حجم بسیار بیشتری از جهش‌ها را فراهم کرده است؛ چیزی که پیش از این غیرممکن بود. “
در طی شش مرحله تکامل هدایت‌شده در شرایط کنترل‌شده، سه جهش کلیدی شناسایی شد که باعث افزایش مقاومت روبیسکو به اکسیژن و بهبود تمایل آن به واکنش با دی‌اکسید کربن گردید. این تغییرات منجر به افزایش راندمان کربوکسیلاسیون، یعنی همان فرایند جذب کربن در فتوسنتز، می‌شود. آن‌ها با قراردادن باکتری‌های حامل این آنزیم در معرض سطح اتمسفری اکسیژن (شرایطی مشابه محیط گیاهان)، فشار مناسبی برای سازگاری با اکسیژن ایجاد کردند و در نهایت سه جهش مؤثر در افزایش مقاومت آنزیم به اکسیژن شناسایی شد. این جهش‌ها نزدیک سایت فعال آنزیم قرار داشتند. به نظر می‌رسد این جهش‌ها ترجیح آنزیم برای واکنش با CO₂ به جای O₂ را افزایش می‌دهند که منجر به بهبود کلی کارایی تثبیت کربن می‌شود.
دستاورد این تحقیق:
آنزیم روبیسکو مقاوم به اکسیژن می‌تواند بهره‌وری محصولات کشاورزی را افزایش دهد، مصرف منابع را کاهش دهد و به امنیت غذایی کمک شایانی کند. این نوآوری می‌تواند به کشاورزی پایدار کمک کند، جایی که هر ذره انرژی خورشیدی بهینه مصرف می‌شود.
این پژوهش نماد بارز همگرایی علوم پایه (زیست‌شناسی مولکولی، آنزیم‌شناسی) و فناوری‌های پیشرفته (مهندسی پروتئین) برای حل یک چالش جهانی است. بهبود روبیسکو مستقیماً با اهداف توسعه پایدار سازمان ملل (SDGs)، به ویژه هدف ۲ (پایان گرسنگی)، هدف ۱۳ (اقدام برای آب‌وهوا) از طریق افزایش کارایی گیاهان در تثبیت CO₂، و هدف ۱۵ (حیات روی زمین) مرتبط است. این مطالعه مسیر جدیدی را برای توسعه نسل بعدی محصولات زراعی با راندمان بالاتر و ردپای اکولوژیکی کوچک‌تر نشان می‌دهد و بر نقش حیاتی پژوهش‌های علوم پایه در ساختن آینده‌ای پایدار تأکید دارد.
پیوند علم و آینده پایدار این پژوهش، مثالی از چگونگی هم‌افزایی دانش زیستی، فناوری‌های نوین و اهداف توسعه پایدار یونسکو است. با مهندسی هوشمندانه روبیسکو، می‌توان گامی مؤثر در جهت کاهش اثرات تغییر اقلیم، افزایش تولید غذای سالم و حفاظت از اکوسیستم‌ها برداشت. به گفته پژوهشگران: “روبیسکوی بهتر، پلی است میان علم امروز و کشاورزی فردا؛ کشاورزی که هم سازگار با محیط زیست است و هم پاسخگوی نیازهای جمعیت رو به رشد جهان”
[1] RuBisCO
[2] Gallionellaceae
[3] error-prone PCR
منابع:
McDonald, Julie L., et al. “In vivo directed evolution of an ultrafast Rubisco from a semianaerobic environment imparts oxygen resistance.” Proceedings of the National Academy of Sciences 122.27 (2025): e2505083122.
MIT Gave Photosynthesis a Speed Boost – Here’s What That Could Mean for Food and Climate