Sebuah tim internasional yang meliputi peneliti dari Universitas Cornell, Institut Boyce Thompson, Universitas Edinburgh, dan lainnya telah mengungkap bagaimana tanaman hornwort menggunakan protein yang dimodifikasi, RbcS-STAR, untuk mengelompokkan enzim fotosintesis utama Rubisco ke dalam kompartemen mirip pirenoid. Mekanisme ini meningkatkan penangkapan karbon dan dapat meningkatkan hasil panen hingga 60 persen sambil mengurangi kebutuhan air dan pupuk.
Rubisco, atau ribulose-1,5-bisfosfat karboksilase/oksigenase, adalah enzim paling penting di planet ini untuk fotosintesis, yang mengikat karbon dioksida menjadi gula yang memberi bahan bakar pertumbuhan tanaman dan membentuk dasar rantai makanan. Namun, enzim ini lambat dan cenderung mengikat oksigen sebagai gantinya, terutama di iklim yang memanas, yang menyebabkan pemborosan energi, produk sampingan beracun, dan pertumbuhan terhambat. Hornwort, tanaman darat kecil yang berkerabat dengan lumut, mengatasi ini menggunakan RbcS-STAR, versi subunit kecil Rubisco dengan 'ekor' atau segmen tambahan yang berfungsi seperti velcro atau pengikat. Modifikasi ini mengelompokkan enzim Rubisco menjadi kompartemen padat mirip pirenoid alga, mengkonsentrasikan CO2 dan meminimalkan gangguan oksigen. „Rubisco bisa dibilang enzim paling penting di planet ini karena merupakan titik masuk untuk hampir semua karbon dalam makanan yang kita makan,“ kata Fay-Wei Li, profesor associate di Institut Boyce Thompson dan Universitas Cornell, pemimpin bersama studi tersebut. „Tapi enzim ini lambat dan mudah terganggu oleh oksigen, yang membuang energi dan membatasi seberapa efisien tanaman dapat tumbuh.“ Berbeda dengan alga yang menggunakan protein terpisah untuk pengelompokan, hornwort memodifikasi Rubisco itu sendiri. „Kami mengasumsikan hornwort akan menggunakan sesuatu yang serupa dengan yang digunakan alga—protein terpisah yang mengumpulkan Rubisco bersama,“ kata Tanner Robison, mahasiswa pascasarjana dan penulis pertama bersama. „Sebaliknya, kami menemukan bahwa mereka telah memodifikasi Rubisco itu sendiri untuk melakukan pekerjaan itu.“ Tim tersebut menunjukkan modularitas RbcS-STAR dengan memasukkannya ke dalam spesies hornwort yang tidak memiliki pirenoid alami dan ke dalam Arabidopsis, tanaman berbunga model. Di keduanya, struktur mirip pirenoid terbentuk—bahkan ketika hanya ekor STAR yang dipasang pada Rubisco asli. „Kami bahkan mencoba hanya menempelkan ekor STAR pada Rubisco asli Arabidopsis, dan itu memicu efek pengelompokan yang sama,“ kata Alistair McCormick, profesor di Universitas Edinburgh dan pemimpin bersama. „Itu memberi tahu kami bahwa STAR benar-benar kekuatan pendorong. Ini adalah alat modular yang dapat bekerja di berbagai sistem tanaman.“ „Ini mencegah rubisco menyentuh oksigen, karena itu memasukkannya ke dalam sebuah rumah dan kemudian memompa banyak CO2 ke dalam rumah itu,“ jelas Laura Gunn, ahli biologi tanaman sintetik di Cornell dan penulis bersama. Para peneliti memperkirakan ini dapat meningkatkan pertumbuhan dan hasil panen hingga 60 persen, memungkinkan tanaman menutup stomata lebih sering untuk menghemat air. Ini juga dapat mengurangi ketergantungan pada pupuk sintetis yang intensif energi. Tantangan yang tersisa termasuk merekayasa pengiriman CO2 yang efisien ke kelompok-kelompok tersebut. „Kami telah membangun rumah Rubisco, tapi itu tidak akan menjadi rumah yang efisien kecuali kami memperbarui HVAC,“ catat Gunn. Robert Wilson, ahli biokimia di MIT, memuji temuan tersebut: „Sangat mengesankan... ini adalah mekanisme yang benar-benar baru dan inovatif melalui mana aspek penting dari biokimia rubisco terjadi.“ Studi tersebut, yang diterbitkan di Science pada 2026, menawarkan jalan untuk merekayasa fotosintesis yang lebih baik pada tanaman seperti gandum dan padi untuk pertanian berkelanjutan di tengah meningkatnya permintaan pangan global.