فريق دولي يضم باحثين من جامعة كورنيل ومعهد بويس تومبسون وجامعة إدنبرة وآخرين اكتشف كيف تستخدم نباتات القرنيات بروتينًا معدلًا RbcS-STAR لتجميع إنزيم التمثيل الضوئي الرئيسي روبيسكو في حجيرات تشبه البيرينويد. هذه الآلية تعزز التقاط الكربون وقد تحسِّن إنتاجية المحاصيل بنسبة تصل إلى 60 في المئة مع تقليل احتياجات الماء والأسمدة.
روبيسكو، أو ريبولوز-1,5-بيسبوسفات كربوكسيلاز/أوكسيجيناز، هو أهم إنزيم على الكوكب للتمثيل الضوئي، يثبت ثاني أكسيد الكربون في سكريات تغذي نمو النباتات وتشكل أساس السلسلة الغذائية. ومع ذلك، فهو بطيء وميلٌ إلى الارتباط بالأكسجين بدلاً من ذلك، خاصة في المناخات الدافئة، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة ومنتجات ثانوية سامة ونمو معوقٍ. ٌنالقرنيات، نباتات أرضية صغيرة مرتبطة بالطحلبيات، تتغلب على ذلك باستخدام RbcS-STAR، نسخة من الوحدة الصغرى لروبيسكو تحتوي على «ذيل» إضافي أو مقطع يعمل مثل فيلكرو أو رابط. هذا التعديل يجمع إنزيمات روبيسكو في حجيرات كثيفة تشبه بيرينويدات الطحالب، مما يركِّز ثاني أكسيد الكربون ويُقَلِّل تداخل الأكسجين. ٌن«روبيسكو هو على الأرجح أهم إنزيم على الكوكب لأنه نقطة الدخول لكادمي كل الكربون في الطعام الذي نأكله»، قال فاي-وي لي، أستاذ مشارك في معهد بويس تومبسون وجامعة كورنيل، أحد قادة الدراسة. «لكنه بطيء ويُشتَّت بسهولة بالأكسجين، مما يُهْدِرُ الطاقة ويحدُّ من كفاءة نمو النباتات». ٌنعلى عكس الطحالب التي تستخدم بروتينات منفصلة للتجميع، تعدِّل القرنيات روبيسكو نفسه. «افترضنا أن القرنيات ستستخدم شيئًا مشابهًا لما تستخدمه الطحالب – بروتينًا منفصلاً يجمع روبيسكو»، قال تانر روبيسون، طالب دراسات عليا وأحد المؤلفين الأوائل. «لكننا اكتشفنا أنها عدَّلت روبيسكو نفسه للقيام بالمهمة». ٌنأظهر الفريق وحدية RbcS-STAR بإدخالها في نوع قرنية يفتقر إلى بيرينويدات طبيعية وفي أرابيدوبسيس، نبات مزهر نموذجي. في الحالتين، تشكَّلت هياكل تشبه البيرينويد – حتى عند إرفاق ذيل STAR فقط إلى روبيسكو الأصلي. «جَرَّبْنا حتى إرفاق ذيل STAR فقط بروبيسكو أرابيدوبسيس الأصلي، فأثار نفس تأثير التجميع»، قال أليستر ماكورميك، أستاذ في جامعة إدنبرة وأحد القادة. «هذا يُخْبِرُنا أن STAR هي القوة الدافعة الحقيقية. إنها أداة وحدية تعمل عبر أنظمة نباتية مختلفة». ٌن«يمنع روبيسكو من ملامسة الأكسجين، لأنه يضعه في منزلٍ ثم يضخ كمًّا كبيرًا من ثاني أكسيد الكربون إلى المنزل»، شرحت لورا غان، عالمة نباتات اصطناعية في كورنيل ومؤلفة مشاركة. يُقَدِّرُ الباحثون أن هذا يمكن أن يُعَزِّزَ نمو المحاصيل وإنتاجيتها بنسبة تصل إلى 60 في المئة، مما يتيح للنباتات إغلاق مساماتها التنفسية أكثر تكرارًا لتوفير الماء. وقد يقلل أيضًا من الاعتماد على الأسمدة الاصطناعية المستهلكة للطاقة. ٌنلا تزال التحديات قائمة، بما في ذلك هندسة تسليم كفؤٍ لثاني أكسيد الكربون إلى التجمعات. «لقد بنينا منزل روبيسكو، لكنه لن يكون فعالاً ما لم نُطَبِّقَ نظام التدفئة والتهوية والتكييف»، لاحظت غان. أشاد روبرت ويلسون، كيميائي حيوي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: «إنه مذهل جدًّا... إنها آلية جديدة تمامًا ومبتكرة تحدث من خلالها جانب مهم من كيمياء روبيسكو الحيوية». ٌنالدراسة، المنشورة في مجلة ساينس عام 2026، تقدِّم مسارًا لهندسة تمثيل ضوئي أفضل في محاصيل مثل القمح والأرز لزراعة مستدامة وسط الطلبات الغذائية العالمية المتزايدة.