Учёные используют E. coli для улучшения фотосинтеза

Исследователи из Корнеллского университета сконструировали ключевой растительный фермент и внедрили его в бактерию Escherichia coli. Это создаёт оптимальную экспериментальную среду для изучения того, как ускорить фотосинтез — главную цель для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Метод описан в статье "Small subunits can determine enzyme kinetics of tobacco Rubisco expressed in Escherichia coli", опубликованной в журнале Nature Plants.

Известно, что урожайность повысится, если удастся ускорить процесс фотосинтеза, в ходе которого растения преобразуют диоксид углерода (CO₂), воду и свет в кислород и, в конечном итоге, в сахарозу.

Учёные сосредоточились на ферменте Rubisco. Это медленный фермент, который "фиксирует" углерод из CO₂ для создания сахарозы. Наряду с CO₂ Rubisco иногда катализирует реакцию с кислородом из воздуха, что приводит к образованию токсичного побочного продукта и трате энергии, снижая эффективность фотосинтеза.

В попытке решить эту проблему исследователи взяли Rubisco из растений табака (стандартной модели в исследованиях) и сконструировали его в E. coli. Это позволяет быстро тестировать мутации фермента, так как бактерии размножаются очень быстро, и результаты можно получить уже на следующий день.

Ранее попытки экспрессии табачного Rubisco в E. coli приводили к очень слабому синтезу фермента. В растениях Rubisco состоит из восьми больших и восьми малых субъединиц. Кодирование и сборка этого комплекса — сложный процесс.

Под руководством Мьят Лина, научного сотрудника лаборатории, учёным удалось экспрессировать в E. coli вместе один тип большой субъединицы и один тип малой субъединицы, чтобы изучить свойства фермента. Им удалось достичь уровня экспрессии фермента в E. coli, сопоставимого с растительным.

Также было обнаружено, что субъединица Rubisco, найденная в трихомах (мелких волосках на листьях растений), работает быстрее, чем любые субъединицы, обнаруженные в клетках листа.

Теперь существует возможность конструировать новые версии растительного Rubisco в E. coli, проверять их улучшенные свойства, а затем внедрять усовершенствованный фермент в сельскохозяйственные культуры.