RuBisCO: het traagste eiwit dat toch al het leven op aarde voedt
Stel je een fabrieksarbeider voor die verantwoordelijk is voor de allereerste stap van bijna elk voedselproduct dat je ooit hebt gegeten. Zonder hem geen brood, geen sla, geen appel, geen vlees ook, want zelfs dieren eten uiteindelijk planten of dieren die planten aten. Die arbeider bestaat echt, en het is geen mens maar een eiwit: RuBisCO. Het is het enzym dat in planten, algen en bepaalde bacteriën kooldioxide (CO2) uit de lucht vangt en omzet in de bouwstenen van suikers. Zonder RuBisCO geen fotosynthese zoals wij die kennen, en dus geen leven zoals wij dat kennen.
Het bijzondere is dat deze onmisbare arbeider opvallend slecht in zijn werk is. RuBisCO werkt traag, verspilt regelmatig energie door de verkeerde stof te grijpen, en is daarmee een van de grootste knelpunten in de fotosynthese. Juist omdat het zo'n cruciale en tegelijk zo'n gebrekkige schakel is, proberen wetenschappers wereldwijd dit enzym te repareren of te omzeilen. Lukt dat, dan zouden gewassen sneller kunnen groeien en meer voedsel kunnen opleveren op dezelfde hoeveelheid landbouwgrond, iets dat steeds belangrijker wordt nu de wereldbevolking groeit en het klimaat verandert.
Wat is het precies?
RuBisCO is de afkorting van ribulose-1,5-bisfosfaat carboxylase/oxygenase, een naam die meteen verklapt wat het doet en waarom het problematisch is. Het enzym katalyseert, oftewel versnelt, de eerste stap van de zogeheten Calvincyclus: het proces waarmee planten CO2 uit de lucht omzetten in organische stof. RuBisCO plakt een molecuul CO2 vast aan een suikermolecuul genaamd RuBP (ribulose-1,5-bisfosfaat). Daaruit ontstaan twee moleculen 3-fosfoglyceraat, de eerste bouwstenen waaruit de plant later glucose en andere suikers maakt.
Het probleem zit in de tweede helft van de naam: oxygenase. RuBisCO kan namelijk niet altijd goed onderscheid maken tussen CO2 en zuurstof (O2), twee moleculen die qua vorm en grootte behoorlijk op elkaar lijken voor een enzym. Grijpt RuBisCO per ongeluk een zuurstofmolecuul in plaats van CO2, dan start een omweg genaamd fotorespiratie. Dat proces kost de plant energie en levert geen bruikbare suiker op, het is in feite verspilling. Bij veel planten gaat op deze manier ruwweg een kwart tot een derde van de potentiële fotosynthese-opbrengst verloren.
Daarbovenop is RuBisCO ook nog eens traag. De meeste enzymen in de natuur voeren duizenden reacties per seconde uit. RuBisCO haalt doorgaans maar zo'n één tot tien reacties per seconde per molecuul. Om dat te compenseren, maken planten enorme hoeveelheden van dit enzym aan, wat RuBisCO tot het meest voorkomende eiwit op aarde maakt. Structureel bestaat de meest voorkomende vorm, Form I genoemd, uit zestien onderdelen: acht grote subeenheden die gecodeerd worden door een gen in de chloroplast (het onderdeel van de plantencel waar fotosynthese plaatsvindt) en acht kleine subeenheden waarvan de bouwtekening in de celkern ligt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te formuleren: planten die met dezelfde hoeveelheid zonlicht, water en grond meer voedsel produceren. Omdat RuBisCO zo'n groot knelpunt is in de fotosynthese, richten veel onderzoekers zich specifiek op dit enzym en de processen eromheen. Er zijn grofweg drie strategieën. De eerste is het repareren van RuBisCO zelf, door varianten te vinden of te ontwerpen die sneller werken of beter onderscheid maken tussen CO2 en zuurstof. De tweede is het omzeilen van de schade die fotorespiratie aanricht, door kortere of efficiëntere routes in te bouwen die minder energie kosten. De derde is het bouwen van een soort turbo rond RuBisCO: mechanismen die de concentratie CO2 rond het enzym kunstmatig verhogen, zodat het minder vaak per ongeluk zuurstof grijpt. Sommige planten, zoals mais en suikerriet, doen dit al van nature via zogeheten C4-fotosynthese; de meeste voedselgewassen zoals rijst, tarwe en soja gebruiken de minder efficiënte C3-route.
De inzet is niet alleen meer opbrengst per hectare. Efficiëntere fotosynthese zou ook kunnen betekenen dat gewassen minder water en meststoffen nodig hebben, of dat er minder landbouwgrond nodig is om dezelfde hoeveelheid voedsel te produceren, wat weer ontbossing kan afremmen. Daarnaast kijken sommige onderzoekers naar RuBisCO vanuit een klimaathoek: als planten of kunstmatige systemen CO2 sneller en efficiënter kunnen vastleggen, zou dat in theorie kunnen bijdragen aan het uit de atmosfeer halen van broeikasgas. Dat laatste is voorlopig meer een verre stip op de horizon dan een concrete toepassing.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste initiatief is het RIPE-project (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), geleid vanuit de University of Illinois Urbana-Champaign in de Verenigde Staten en gefinancierd door onder meer de Bill & Melinda Gates Foundation. In 2019 publiceerde het team in het vakblad Science een opzienbarend resultaat: door genetisch een kortere, efficiëntere omweg voor fotorespiratie in te bouwen in tabaksplanten, nam de biomassa in veldproeven met ongeveer 40 procent toe. Tabak werd gebruikt omdat het snel te testen is in het veld; het achterliggende principe moet ook bij voedselgewassen werken. Enkele jaren later rapporteerde hetzelfde team vergelijkbare, positieve veldresultaten bij sojabonen, wat aantoont dat de aanpak niet beperkt blijft tot één plantensoort.
Een tweede grote inspanning is het C4 Rice Project, gecoördineerd door het International Rice Research Institute (IRRI) in de Filipijnen, samen met universiteiten als Oxford, Cambridge en instituten in onder meer Duitsland en de Verenigde Staten. Dit project probeert al sinds ongeveer 2008 de efficiëntere C4-fotosynthese van mais in te bouwen in rijst, een van de belangrijkste voedselgewassen ter wereld. Het idee: als rijst CO2 net zo goed kan concentreren rond RuBisCO als mais, zou de opbrengst flink kunnen stijgen. Na ruim vijftien jaar onderzoek is dit nog niet volledig gelukt, C4-fotosynthese blijkt een complex samenspel van tientallen genen en een aangepaste bladstructuur te vergen.
Aan de andere kant van het spectrum staat het werk van bioloog Tobias Erb en collega's aan het Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg, Duitsland. Zij ontwierpen in 2016 in het lab een volledig kunstmatig, door RuBisCO-vrij, CO2-fixatiepad genaamd de CETCH-cyclus, gebouwd uit enzymen van verschillende organismen die in de natuur nooit samen voorkomen. Dit is geen directe vervanging van RuBisCO in planten, maar een demonstratie dat CO2-fixatie in principe efficiënter kan dan de natuurlijke Calvincyclus.
Ook wordt gewerkt aan het overplanten van natuurlijke CO2-concentratiesystemen. Onderzoekers van onder meer Cornell University in de VS en het John Innes Centre in het Verenigd Koninkrijk proberen structuren die cyanobacteriën en algen gebruiken om CO2 rond hun RuBisCO te concentreren, zogeheten carboxysomen en pyrenoïden, over te zetten naar landplanten. Rond 2022 publiceerden verschillende van deze teams tussentijdse successen, zoals het functioneel laten werken van onderdelen van dit systeem in plantencellen, al is een volledig werkend systeem in een gewas nog niet gerealiseerd.
Tot slot doet het laboratorium van Spencer Whitney aan de Australian National University al jaren onderzoek naar RuBisCO-varianten uit andere organismen, zoals rode algen en bepaalde bacteriën, die van nature sneller of nauwkeuriger werken dan de RuBisCO van gewone landplanten. Deze varianten worden getest door ze in te bouwen in de chloroplasten van tabaksplanten, opnieuw als praktisch testmodel voor toekomstige toepassing in voedselgewassen.
Hoe ver is de techniek?
De onderzoeksrichting rond RuBisCO en fotosynthese-efficiëntie bevindt zich grotendeels nog in de fase van laboratorium- en veldproeven, niet in commerciële toepassing. Er zijn op dit moment geen gewassen met verbeterde RuBisCO of fotorespiratie-bypass die daadwerkelijk op de markt worden verbouwd door boeren. De resultaten bij tabak en soja van het RIPE-project zijn wel een belangrijke mijlpaal, omdat ze voor het eerst overtuigend aantoonden dat het aanpakken van fotorespiratie in echte veldomstandigheden, niet alleen in kassen, tot meetbaar hogere opbrengsten leidt.
Tegelijk laten juist deze voorbeelden ook de obstakels zien. Het aanpassen van RuBisCO zelf blijkt lastiger dan het omzeilen van fotorespiratie: het enzym is zeer gevoelig voor veranderingen, en varianten die sneller zijn, blijken vaak minder goed onderscheid te maken tussen CO2 en zuurstof, en andersom. Dit soort wisselwerkingen, in de wetenschap 'trade-offs' genoemd, maken RuBisCO tot een van de hardnekkigste puzzels in de plantenbiologie. Het C4-rijstproject illustreert bovendien hoe complex het overzetten van een heel fotosynthesesysteem tussen plantensoorten is; na meer dan vijftien jaar onderzoek is er nog geen werkend C4-rijstras.
Daarnaast spelen praktische en maatschappelijke factoren mee. De meeste van deze technieken vereisen genetische modificatie, wat betekent dat toelating en publieke acceptatie sterk verschillen per land en regio. Zelfs een wetenschappelijk succesvol gewas kan dus nog jaren wachten op regelgeving voordat het daadwerkelijk bij boeren terechtkomt. Onderzoekers schatten zelf dat het nog zeker een decennium of langer kan duren voordat RuBisCO-gerelateerde verbeteringen op grote schaal in landbouwgewassen te vinden zijn, met veel onzekerheid over het exacte tijdpad.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar RuBisCO en fotosynthese-efficiëntie is sterk internationaal en gebeurt vooral bij universiteiten en publiek gefinancierde onderzoeksinstituten, niet bij commerciële bedrijven. In de Verenigde Staten is de University of Illinois Urbana-Champaign met het RIPE-project een van de belangrijkste spelers, met financiering van de Bill & Melinda Gates Foundation, de Foundation for Food and Agriculture Research en de Britse overheidsorganisatie UK Foreign, Commonwealth & Development Office. Cornell University werkt aan het inbouwen van CO2-concentrerende mechanismen in planten.
In het Verenigd Koninkrijk zijn het John Innes Centre en de universiteiten van Oxford en Cambridge betrokken bij zowel het C4-rijstproject als carboxysoom-onderzoek. Het C4 Rice Project wordt internationaal gecoördineerd door het International Rice Research Institute (IRRI), gevestigd in de Filipijnen en van oudsher een van de belangrijkste centra voor rijstonderzoek wereldwijd. In Duitsland doet het Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg fundamenteel werk aan alternatieve CO2-fixatiepaden. In Australië onderzoekt de Australian National University snellere RuBisCO-varianten. Veel van dit onderzoek wordt gefinancierd via combinaties van filantropische fondsen, nationale wetenschapsbudgetten en internationale landbouwonderzoeksorganisaties, wat past bij het karakter van dit veld: het gaat primair om publiek toegankelijke kennis voor mondiale voedselzekerheid, niet om winstgevende bedrijfsgeheimen.