Как бактерии используют внутренние «машины» для повышения эффективности фотосинтеза

Ученые из Ливерпульского университета исследовали, как цианобактерии используют внутренние белковые «машины» — карбоксисомы — для повышения эффективности преобразования CO₂ в сахара в процессе фотосинтеза. Эти находки могут помочь в разработке новых нанотехнологий для улучшения урожайности сельскохозяйственных культур и производства биомассы.

Карбоксисомы — ключевые наноструктуры

Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) — одни из самых распространенных микроорганизмов. Как и растения, они используют солнечный свет для фотосинтеза. Их уникальная особенность — наличие карбоксисом. Эти внутриклеточные структуры с полиэдрической белковой оболочкой содержат ферменты, необходимые для фиксации углерода (превращения CO₂ в сахар) на стадии цикла Кальвина. Они делают этот процесс значительно эффективнее, чем у многих сельскохозяйственных культур.

Реакция на свет и метаболизм

В исследовании, опубликованном в Plant Physiology, ученые пометили карбоксисомы флуоресцентными метками и с помощью микроскопии наблюдали за ними в живых клетках.

• Изменяя количество света во время роста клеток, они обнаружили, что цианобактерии регулируют активность фиксации углерода, изменяя количество карбоксисом в клетках.
• Используя химические ингибиторы, влияющие на метаболизм, ученые выяснили, что распределение карбоксисом в палочковидной клетке зависит от редокс-состояния путей переноса электронов. В зависимости от этого карбоксисомы могут быть рассредоточены или выстроены вдоль центральной оси клетки.

В сотрудничестве с физиками был разработан метод статистического анализа тысяч бактериальных клеток на микроскопических изображениях.

Перспективы для биоинженерии

Карбоксисомы представляют большой интерес для синтетической биологии и биоинженерии, стремящейся использовать их потенциал для повышения продуктивности.

• Д-р Фанг Хуан: «Теперь мы можем в реальном времени наблюдать, как бактерии модулируют карбоксисомы для максимизации своей способности фиксировать углерод. Наши данные также дают новые подсказки о связи между расположением карбоксисом и клеточным метаболизмом».
• Д-р Лунинг Лю, ведущий автор: «Внедрение цианобактериальных карбоксисом в хлоропласты растений потенциально может повысить эффективность фотосинтеза и, следовательно, урожайность биомассы. Мы только начинаем понимать, как работают эти удивительные клеточные машины».