Germany
December 8, 2017
The Rubisco assembly line leads to the formation of the functional enzyme. Folding and assembly of the Rubisco subunits is assisted by chaperonins. Rubisco catalyses the key step of CO2 fixation.
Photosynthesis is the process underlying all plant growth. Scientists aim to boost photosynthesis to meet the increasing global demand for food by engineering its key enzyme Rubisco. Now, researchers at the Max Planck Institute of Biochemistry have succeeded in producing functional plant Rubisco in a bacterium. This allows genetic engineering of the enzyme. The study could one day lead to better crop yields and plant varieties with increased water-use efficiencies or enhanced temperature resistance. The results were published in Science.
The world's population is predicted to exceed 9 billion in 2050. With more mouths to feed, there is a pressing need for improved food output. To meet the global demand for food, scientists aim to increase the efficiency of photosynthesis and therefore crop productivity.
Boosting photosynthesis
Photosynthesis is the fundamental biological process that underlies all plant growth and supports life on Earth. Plants use the energy of sunlight to convert carbon dioxide (CO2) and water to sugar and oxygen (O2). The critical enzyme in this process is Rubisco. Rubisco catalyses the first step in carbohydrate production in plants, the fixation of CO2 from the atmosphere. In doing so, plants utilize CO2 to build biomass and produce the required energy for growth. However, Rubisco is an inefficient enzyme as it captures CO2 slowly. Competing reactions with O2 further impair Rubisco’s catalytic efficiency. For these reasons, Rubisco often limits the rate of photosynthesis and ultimately plant growth, making Rubisco a hot target for genetic engineering.
Engineering of plant Rubisco, and photosynthesis, would be enhanced by functional expression of the enzyme in alternative hosts. So far, however, scientists failed to produce an enzymatically active form of plant Rubisco in a bacterial host – a goal that has been sought after for many decades. A team led by Manajit Hayer-Hartl, head of the research group “Chaperonin-assisted Protein Folding”, has now identified the requirements for expressing and assembling plant Rubisco in a bacterium. Their findings are expected to greatly accelerate efforts to improve photosynthesis through Rubisco engineering.
The Rubisco assembly line
The Rubisco enzyme consists of eight large and eight small subunits. Protein folding of the large subunits is assisted by specific chaperonins, macromolecular folding cages, in which the newly synthesized proteins can assume their proper functional conformation. After folding, multiple additional helper proteins (chaperones) assist in the proper assembly of the subunits into the large enzyme complex.
The researchers generated functional plant Rubisco in a bacterial host by simultaneously expressing plant chaperones and Rubisco in the same cells. This not only enables the scientists to understand the complex assembly pathway of Rubisco, but to modify the Rubisco gene in order to improve Rubisco’s properties. Once they have obtained a Rubisco variant with a desired trait, they can insert the modified gene back into the plant cells. This is a key-step towards improving photosynthesis through Rubisco engineering. “The bacterial expression system resembles an assembly line for cars. Whereas previously every optimized variant of Rubisco had to be painstakingly expressed in a transgenic plant, which takes a year or more to generate - like building a car by hand - we can now make hundreds or thousands of Rubisco variants in days or weeks. It is like building cars in an automated assembly line”, explains Hayer-Hartl.
Superior Rubisco variants
Genetic engineering facilitates efforts to generate Rubisco variants with improved functional properties. This might not only lead to the much-needed increase in crop yields, but also plant varieties with increased water-use efficiencies or enhanced temperature resistance - properties that are of special importance in the light of global warming and increasing water scarcity.
Originalpublikation
Aigner H*, Wilson RH*, Bracher A, Calisse L, Bhat JY, Hartl FU, Hayer-Hartl M. Plant Rubisco assembly in E. coli with five chloroplast chaperones including BSD2. Science, Dezember 2017. *These authors contributed equally to this work.
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About Manajit Hayer-Hartl
Manajit Hayer-Hartl received her Bachelor of Science degree at the University of Stirling, Scotland, UK, where she afterwards gained her PhD. Her interest in structural and cellular biology motivated her to several postdoctoral fellowships at renowned research institutions, among them the Louis Pasteur Institute in Strasbourg, France and the Sloan-Kettering Institute in New York, USA. Hayer- Hartl joined the Max Planck Institute of Biochemistry in 1997 as group leader in the department “Cellular Biochemistry”. Since 2006, she is head of the research group “Chaperonin-assisted Protein Folding”. Her research focuses on chaperones and how these molecular machines assist in proper protein folding and assembly. Hayer-Hartl became EMBO Member in 2016 and was awarded the Dorothy Crowfoot Hodgkin Award in 2017.
About the Max Planck Institute of Biochemistry
The Max Planck Institute of Biochemistry (MPIB) belongs to the Max Planck Society, an independent, non-profit research organization dedicated to top level basic research. As one of the largest Institutes of the Max Planck Society, 850 employees from 45 nations work here in the field of life sciences. In currently eight departments and about 25 research groups, the scientists contribute to the newest findings in the areas of biochemistry, cell biology, structural biology, biophysics and molecular science. The MPIB in Munich-Martinsried is part of the local life-science-campus where two Max Planck Institutes, a Helmholtz Center, the Gene-Center, several bio-medical faculties of two Munich universities and several biotech-companies are located in close proximity. http://biochem.mpg.de
Die Zukunft der grünen Gentechnik
Der Prozess der Photosynthese ist die Basis des Wachstums aller Pflanzen. Wissenschaftler wollen die Photosynthese ankurbeln, um der weltweit steigenden Nachfrage nach Nahrungsmitteln zu begegnen. Dazu soll das Schlüsselenzym Rubisco gentechnisch verändert werden. Nun ist es Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Biochemie gelungen, funktionelles Rubisco aus Pflanzen in einem Bakterium herzustellen. Dies ermöglicht eine gentechnische Veränderung des Enzyms. Die Studie könnte eines Tages zu höheren Ernteerträgen und Pflanzensorten mit verbesserter Wassernutzungseffizienz oder erhöhter Temperaturbeständigkeit führen. Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.
Die Weltbevölkerung wird Prognosen zufolge im Jahr 2050 neun Milliarden Menschen überschreiten. Damit steigt auch der Bedarf an Nahrung. Um die weltweite Nachfrage nach Nahrungsmitteln zu decken, wollen die Wissenschaftler die Effizienz der Photosynthese und damit das Wachstum von Nutzpflanzen steigern.
Photosynthese ankurbeln
Die Photosynthese ist der grundlegende biologische Prozess, der alles Leben auf der Erde ermöglicht. Pflanzen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxid (CO2) und Wasser in Zucker und Sauerstoff (O2) umzuwandeln. Das Schlüsselenzym in diesem Prozess ist Rubisco. Rubisco katalysiert den ersten Schritt der Kohlenhydratproduktion in Pflanzen, die Fixierung von CO2 aus der Atmosphäre. Dabei nutzen die Pflanzen CO2, um Biomasse aufzubauen und die benötigte Energie für das Wachstum zu erzeugen. Rubisco ist jedoch ein ineffizientes Enzym, das langsam arbeitet. Zudem beeinträchtigen konkurrierende Reaktionen mit O2 die katalytische Effizienz von Rubisco. Aus diesen Gründen begrenzt Rubisco häufig die Photosyntheserate und letztendlich das Pflanzenwachstum. Das macht Rubisco zu einem heißen Ziel für die Gentechnologie.
Damit pflanzliches Rubisco und folglich die Photosynthese gentechnisch verbessert werden können, muss das funktionsfähige Enzym in einem alternativen Wirt, zum Beispiel einem Bakterium, produziert werden. Bisher gelang es den Wissenschaftlern jedoch nicht, eine enzymatisch aktive Form von Pflanzen-Rubisco in einem bakteriellen Wirt herzustellen. Ein Team um Manajit Hayer-Hartl, Leiterin der Forschungsgruppe "Chaperonin-vermittelte Proteinfaltung", hat nun die Voraussetzungen für die erfolgreiche Herstellung von Pflanzen-Rubisco in einem Bakterium identifiziert. Ihre Ergebnisse sollen die Bestrebungen zur Verbesserung der Photosynthese erheblich beschleunigen.
Fließbandarbeit
Das Rubisco-Enzym besteht aus acht großen und acht kleinen Untereinheiten. Die Proteinfaltung der großen Untereinheiten wird durch spezifische Chaperonine, makromolekulare Faltungskäfige, unterstützt. In ihnen können die neu synthetisierten Proteine ihre korrekte funktionelle Struktur einnehmen. Nach der Faltung unterstützen mehrere zusätzliche Helferproteine (Chaperone) die Untereinheiten dabei sich zu einem großen Enzymkomplex zusammenzulagern.
Die Forscher erzeugten funktionelles Pflanzen-Rubisco in einem bakteriellen Wirt, indem sie gleichzeitig Pflanzen-Chaperone und Rubisco in den Zellen herstellten. Dies ermöglicht den Wissenschaftlern zum einen den komplexen Zusammenbau von Rubisco nachzuvollziehen. Zum anderen können sie das Rubisco-Gen, die Bauanleitung, modifizieren, um die Eigenschaften des Enzyms zu verbessern. Sobald sie eine gewünschte Rubisco-Variante erhalten, können sie das modifizierte Gen wieder in die Pflanzenzellen einbringen. Das ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Photosynthese. "Das bakterielle Expressionssystem ähnelt einem Fließband für Autos. Früher musste jede optimierte Rubisco-Variante in einer transgenen Pflanze mühsam erzeugt werden, was ein Jahr oder länger dauert. Das kann man in etwa damit vergleichen ein Auto per Hand zu bauen. Jetzt können wir Hunderte oder Tausende solcher Rubisco-Varianten in Tagen oder Wochen herstellen. Es ist, als würde man Autos am automatisierten Fließband bauen", erklärt Hayer-Hartl.
Verbesserte Rubisco-Varianten
Die Gentechnik erleichtert es Rubisco-Varianten mit verbesserten Eigenschaften zu erzeugen. So könnten sich in Zukunft nicht nur die Ernteerträge erhöhen, sondern auch Pflanzensorten mit verbesserter Wassernutzungseffizienz oder erhöhter Temperaturbeständigkeit herstellen lassen - Eigenschaften, die angesichts der globalen Erwärmung und zunehmender Wasserknappheit von besonderer Bedeutung sind.
Originalpublikation
Aigner H*, Wilson RH*, Bracher A, Calisse L, Bhat JY, Hartl FU, Hayer-Hartl M. Plant Rubisco assembly in E. coli with five chloroplast chaperones including BSD2. Science, Dezember 2017. *These authors contributed equally to this work.
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Über Manajit Hayer-Hartl
Manajit Hayer-Hartl erwarb ihren Bachelor of Science an der University of Stirling, Schottland, UK, wo sie anschließend promovierte. Ihr Interesse an der Struktur- und Zellbiologie motivierte sie zu mehreren Postdoc-Aufenthalten an renommierten Forschungseinrichtungen wie dem Louis- Pasteur-Institut in Straßburg, Frankreich, und dem Sloan-Kettering-Institut in New York, USA. Hayer- Hartl kam 1997 als Gruppenleiterin in der Abteilung "Zelluläre Biochemie" an das Max-Planck- Institut für Biochemie. Seit 2006 leitet sie die Forschungsgruppe „Chaperonin-vermittelte Proteinfaltung". Ihre Forschung konzentriert sich auf Chaperone und wie diese molekularen Maschinen Proteine bei der richtigen Faltung unterstützen. Hayer-Hartl wurde 2016 EMBO-Mitglied und erhielt 2017 den Dorothy-Crowfoot-Hodgkin Preis.
Über das Max-Planck-Institut für Biochemie
Das Max-Planck-Institut für Biochemie (MPIB) in Martinsried bei München zählt zu den führenden internationalen Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der Biochemie, Zell- und Strukturbiologie sowie der biomedizinischen Forschung und ist mit rund 35 wissenschaftlichen Abteilungen und Forschungsgruppen und ungefähr 800 Mitarbeitern eines der größten Institute der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Das MPIB befindet sich auf dem Life-Science-Campus Martinsried in direkter Nachbarschaft zu dem Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Instituten der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Innovations- und Gründerzentrum Biotechnologie (IZB). http://biochem.mpg.de
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