A short history of RubisCO: the rise and fall (?) of Nature’s predominant CO2 fixing enzyme

Resumo

A ribulose‑1,5‑bisfosfato carboxilase/oxigenase (RubisCO) é, sem dúvida, uma das proteínas mais abundantes da biosfera e uma enzima‑chave no ciclo global do carbono. Embora a RubisCO tenha sido intensivamente estudada, suas origens evolutivas e sua ascensão como a enzima fixadora de dióxido de carbono (CO₂) mais dominante da natureza ainda permanecem obscuras. Nesta revisão, reunimos dados bioquímicos, estruturais, fisiológicos, microbiológicos e filogenéticos para especular sobre as raízes evolutivas da reação de fixação de CO₂ da RubisCO, o surgimento da fixação autotrófica de CO₂ baseada na RubisCO no contexto do ciclo de Calvin‑Benson‑Bassham e a evolução posterior da RubisCO para o “RubisCOsome”, um complexo de várias proteínas que se montam e interagem com a enzima para melhorar sua capacidade operacional (funcionalidade) sob diferentes condições biológicas e ambientais.

Abstract

Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RubisCO) is arguably one of the most abundant proteins in the biosphere and a key enzyme in the global carbon cycle. Although RubisCO has been intensively studied, its evolutionary origins and rise as Nature’s most dominant carbon dioxide (CO2)-fixing enzyme still remain in the dark. In this review we will bring together biochemical, structural, physiological, microbiological, as well as phylogenetic data to speculate on the evolutionary roots of the CO2-fixation reaction of RubisCO, the emergence of RubisCO-based autotrophic CO2-fixation in the context of the Calvin-Benson-Bassham cycle, and the further evolution of RubisCO into the ‘RubisCOsome’, a complex of various proteins assembling and interacting with the enzyme to improve its operational capacity (functionality) under different biological and environmental conditions.