زیست فناوری، سلامت و فناوری های پزشکی

این جلبک که به نام ریزجلبک کلامیدوموناس رینهارتی (Chlamydomonas reinhardtii) مشهور است، نوعی اندامک به نام دانک‌ یا پیرنوئید دارد که تبدیل کربن جذب شده توسط جلبک را از هوا تسریع می بخشد و آن را به نوعی از ارگانیسم ها تبدیل می کند که برای رشد مفید است.

پژوهشگران این مطالعه از الگوسازی مولکولی برای تعیین ترکیبات دانک استفاده کردند که مهم ترین عامل برای بهبود و افزایش تثبیت کربن (فرایندی که طی آن گیاه کربن غیر آلی یعنی کربن دی‌اکسید را به مواد دارای کربن آلی تبدیل می‌کند) است و در ادامه نشان دادند چطور این کاربرد پیرنوئید قابل مهندسی در کشت محصولات کشاورزی است.   

با اینکه کالری مواد غذایی ناشی از محصولات کشاورزی از هزاران سال قبل مطرح شده است، از آن زمان به بعد پیشرفت های کسب شده در زمینه آبیاری، کودها، بذر و صنعتی‌سازی کشاورزی سفره انسان ها را پررونق‌ کرده است. اما اکنون دستاوردهای همه این فناوری ها اندک است، ناامنی غذایی برای بیشتر مردم جهان به سطحی بحرانی رسیده و به دلیل تغییرات اقلیم بدتر هم خواهد شد. فناوری جدید می تواند این روند را تغییر دهد.

بسیاری دانشمندان باور دارند اگر توانایی مانند پیرنوئیدهای جلبک سبز برای تغلیظ کربن در گیاهانی مانند گندم و برنج مهندسی شود، کشت و تولید این منابع مهم غذایی بسیار افزایش خواهد یافت. مارتین جونیکاس، نویسنده ارشد این مطالعه و استادیار زیست‌شناسی مولکولی در دانشگاه پرینستون می گوید: این مطالعه دستور العمل مشخصی برای مهندسی افزودن نوعی سازوکار تغلیظ کربن در گیاهان از جمله غلات مهم به دست می دهد. 

جلبک کلامیدوموناس رینهارتی به دلیل عملکرد انزیم ریبولوز (RuBisCO) به تثبیت کربن دست می یابد؛ آنزیمی که تبدیل دی اکسید کربن به کربن آلی را به مانند کاتالیزوری انجام می دهد. 

گیاهان خشکی نیز از آنزیم روبیسکو برای تثبیت کربن استفاده می کنند اما این آنزیم در بیشتر گیاهان تنها به اندازه یک سوم ظرفیت فرضی خود عمل می کند زیرا به دی اکسید کربن کافی برای عملکرد سریع تر دسترسی ندارد. بنابراین مطالعات زیادی در زمینه سازوکار تغلیظ کربن انجام شده است به ویژه در مورد جلبک های سبزابی و جلبک های با امید پی بردن و کاربردی کردن این دستاورد در گیاهان انجام شده است.

 ند ونگرین استاد زیست شناسی مولکولی در موسسه لوئیس در مورد این روش می گوید: مدل ما نشان می دهد که تصویر متداول از سازوکار تغلیظ کربن پیرنوئید موفق نیست زیرا دی اکسید کربن به سرعت و پیش از فعال شدن آنزیم ریبوسکو، از پشت پیرنوئید نشت خواهد کرد. در عوض پوسته نشاسته ای پیرامون پیرنوئید باید به مثابه حصاری برای جلوگیری از خروج کربن عمل می کند. 

پژوهشگران این مطالعه علاوه بر این شناخت این حصار جلوگیری از انتشار کربن توانستند پروتئین های دیگر و خصوصیات ساختاری مورد نیاز برای تغلیظ دی اکسید کربن را شناسایی کرده اند. این مدل همچنین اجزای غیرلازم را تشخیص داده که به طور معمول مهندسی کاربرد پیرنوئید را داخل گیاه آسان تر می کند. این مدل ساده شده از پیرنوئید شبیه اندامک اصلی عمل می کند.   

گزارش کاملی از این مطالعه در نشریه نیچر پلنتس/ Nature Plants منتشر شده است.