Plantas, algas, e outros organismos produzem a enzima RuBisCO para converter o dióxido de carbono da atmosfera em moléculas ricas em energia, como glicose, que formam carboidratos e outros compostos de carbono orgânico essenciais para a vida na Terra.

Esse processo catalítico é chamado de "fixação de carbono". Uma melhor compreensão da atividade específica envolvida quando RuBisCO dá o pontapé inicial nesta reação química pode ser instrumental para aumentar a eficiência da enzima e facilitar o crescimento mais rápido da planta - um resultado desejável que pode aumentar o rendimento da colheita enquanto conserva fertilizantes e recursos naturais.

Para este fim, pesquisadores da Universidade de Uppsala estão usando nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para determinar a estrutura da proteína de uma amostra de RuBisCO obtida de folhas de espinafre.

"Esperamos compreender a fixação de carbono em detalhes de nível atômico, o que nos ajudaria a descobrir exatamente o que está acontecendo com cada molécula de dióxido de carbono que a enzima tira da atmosfera e traz para a biosfera, "disse o investigador principal Marvin Seibert.

Durante a fixação, os organismos "fixam" o carbono no lugar ligando-o a moléculas orgânicas.

Apesar de desempenhar um papel tão importante neste processo, RuBisCO é excepcionalmente lento e ineficiente. Para compensar, as plantas são forçadas a dedicar uma parte substancial de seus valiosos recursos para a produção de grandes quantidades da enzima.

"Uma quantidade significativa de nitrogênio que uma planta precisa para seu crescimento vai para a produção de RuBisCO, que por sua vez coleta o carbono necessário para a fotossíntese, "Seibert disse." A propósito, muito do fertilizante que colocamos nos campos acaba nas proteínas internas das plantas para ajudar a contribuir para esse processo. "

Por ser produzido em resposta à demanda constante por carbono, RuBisCO pode ser categorizado como uma das enzimas mais abundantes do planeta. Os cientistas estimam que, em algum ponto, cada átomo de carbono em cada organismo passou pela fixação de carbono.

Se as plantas fossem capazes de prosperar e completar a fixação de carbono em condições mais eficientes, tal economia de custos, resultados ecológicos podem contribuir para melhorias gerais no valor agrícola e econômico de importantes safras usadas para alimentação, biocombustíveis, e outros fins práticos.

Embora os cientistas tenham usado técnicas de raio-x para estudar RuBisCO no passado, os métodos de espalhamento de nêutrons têm a vantagem distinta de serem sensíveis ao hidrogênio. Cerca de metade dos átomos em biomoléculas são átomos de hidrogênio, o que significa que a capacidade de identificar sua localização e estrutura é fundamental para caracterizar a estrutura atômica da enzima.

"Se pudermos produzir uma estrutura de cristalografia de nêutrons onde podemos ver os átomos de hidrogênio no sítio ativo RuBisCO, devemos ser capazes de investigar o mecanismo catalítico da enzima e aprender mais sobre a conversão de dióxido de carbono em compostos de carbono orgânico, "Seibert disse.

Trabalhando com a cientista do ORNL Flora Meilleur, a equipe sueca está perseguindo esse objetivo no High Flux Isotope Reactor (HFIR) do ORNL usando o instrumento IMAGINE, Linha de luz HFIR CG-4-D. Eles também estão realizando experimentos complementares na Spallation Neutron Source (SNS) do ORNL usando o instrumento MaNDi, Linha de luz SNS 11B.

Anteriormente, os pesquisadores confiaram em hipóteses e modelos para examinar a atividade catalítica de RuBisCO, mas eles antecipam que a pesquisa de espalhamento de nêutrons fornecerá uma base mais concreta sobre a qual construir estudos futuros.

"Obtivemos resultados nos primeiros cinco minutos, e ver o sucesso tão rápido é muito incomum, "Seibert disse." A combinação de ótima instrumentação e pessoas maravilhosas torna este experimento possível. "