Les plantes, algues, et d'autres organismes produisent l'enzyme RuBisCO pour convertir le dioxyde de carbone de l'atmosphère en molécules riches en énergie, comme le glucose, qui forment des glucides et d'autres composés organiques du carbone essentiels à la vie sur terre.

Ce processus catalytique est appelé "fixation du carbone". Une meilleure compréhension de l'activité spécifique impliquée lorsque RuBisCO déclenche cette réaction chimique pourrait être déterminante pour améliorer l'efficacité de l'enzyme et faciliter une croissance plus rapide des plantes, un résultat souhaitable qui pourrait augmenter les rendements des cultures tout en préservant les engrais et les ressources naturelles.

À cette fin, des chercheurs de l'Université d'Uppsala utilisent des neutrons au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie (DOE) pour déterminer la structure protéique d'un échantillon de RuBisCO obtenu à partir de feuilles d'épinards.

"Nous espérons comprendre la fixation du carbone dans les moindres détails au niveau atomique, ce qui nous aiderait à comprendre exactement ce qui arrive à chaque molécule de dioxyde de carbone que l'enzyme extrait de l'atmosphère et introduit dans la biosphère, ", a déclaré le chercheur principal Marvin Seibert.

Lors de la fixation, les organismes "fixent" le carbone en le liant à des molécules organiques.

Bien qu'ayant joué un rôle si important dans ce processus, RuBisCO est exceptionnellement lent et inefficace. Pour compenser, les plantes sont obligées de consacrer une partie substantielle de leurs précieuses ressources à la production de grandes quantités de l'enzyme.

"Une quantité importante de l'azote dont une plante a besoin pour sa croissance entre dans la fabrication de RuBisCO, qui à son tour collecte le carbone nécessaire à la photosynthèse, " dit Seibert. " Soit dit en passant, une grande partie de l'engrais que nous mettons dans les champs se retrouve dans les protéines internes des plantes pour contribuer à ce processus."

Parce qu'il est produit en réponse à la demande constante de carbone, RuBisCO peut sans doute être classé comme l'une des enzymes les plus abondantes de la planète. Les scientifiques estiment que, à un moment donné, chaque atome de carbone dans chaque organisme est passé par la fixation du carbone.

Si les plantes pouvaient prospérer et terminer la fixation du carbone dans des conditions plus efficaces, une telle économie, des résultats respectueux de l'environnement pourraient contribuer à des améliorations globales de la valeur agricole et économique des cultures importantes utilisées pour l'alimentation, biocarburants, et à d'autres fins pratiques.

Bien que les scientifiques aient utilisé des techniques de rayons X pour étudier RuBisCO dans le passé, les méthodes de diffusion des neutrons ont le net avantage d'être sensibles à l'hydrogène. Environ la moitié des atomes des biomolécules sont des atomes d'hydrogène, ce qui signifie que la capacité de localiser leur emplacement et leur structure est primordiale pour caractériser la structure atomique de l'enzyme.

"Si nous pouvons produire une structure de cristallographie neutronique où nous pouvons voir les atomes d'hydrogène dans le site actif RuBisCO, nous devrions pouvoir étudier le mécanisme catalytique de l'enzyme et en savoir plus sur la conversion du dioxyde de carbone en composés organiques du carbone, " dit Seibert.

En collaboration avec Flora Meilleur, scientifique de l'ORNL, l'équipe suédoise poursuit cet objectif dans le réacteur à isotope à haut flux (HFIR) de l'ORNL à l'aide de l'instrument IMAGINE, Ligne de lumière HFIR CG-4-D. Ils mènent également des expériences complémentaires à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL en utilisant l'instrument MaNDi, Ligne de lumière SNS 11B.

Précédemment, les chercheurs se sont appuyés sur des hypothèses et des modèles pour examiner l'activité catalytique de RuBisCO, mais ils prévoient que la recherche sur la diffusion des neutrons fournira une base plus concrète sur laquelle construire de futures études.

"Nous avons obtenu des résultats dans les cinq premières minutes, et voir un succès rapide est très inhabituel, " a déclaré Seibert. " La combinaison d'une grande instrumentation et de gens formidables ici rend cette expérience possible. "