Будущее инженерии сельскохозяйственных культур

Фотосинтез — это процесс, лежащий в основе всего роста растений. Учёные стремятся повысить эффективность фотосинтеза, чтобы удовлетворить растущий мировой спрос на продовольствие, путём модификации его ключевого фермента — Rubisco. Исследователям из Института биохимии Макса Планка удалось получить функциональный растительный Rubisco в бактерии. Это открывает возможность для генетической инженерии фермента. Работа может в будущем привести к повышению урожайности и созданию сортов растений с увеличенной эффективностью использования воды или повышенной устойчивостью к температуре. Результаты опубликованы в Science.

Повышение эффективности фотосинтеза

Фотосинтез — это фундаментальный биологический процесс, поддерживающий жизнь на Земле. Растения используют энергию солнечного света для преобразования углекислого газа (CO₂) и воды в сахара и кислород (O₂). Ключевым ферментом в этом процессе является Rubisco. Он катализирует первую стадию производства углеводов — фиксацию CO₂ из атмосферы. Однако Rubisco неэффективен: он медленно захватывает CO₂, а конкурирующие реакции с O₂ ещё больше снижают его каталитическую эффективность. Часто именно Rubisco ограничивает скорость фотосинтеза и, в конечном счёте, рост растений.

Инженерия растительного Rubisco была бы значительно ускорена, если бы удалось получить функциональный фермент в альтернативном хозяине, например, в бактерии. Эту цель преследовали десятилетиями, но безуспешно. Группе под руководством Манаджита Хайер-Хартла удалось определить условия для экспрессии и сборки растительного Rubisco в бактерии.

Сборочная линия для Rubisco

Фермент Rubisco состоит из восьми больших и восьми малых субъединиц. Сворачивание больших субъединиц в правильную трёхмерную структуру (фолдинг) обеспечивается специальными шаперонинами — молекулярными "клетками". Затем дополнительные белки-помощники (шапероны) помогают собрать субъединицы в большой ферментный комплекс.

Исследователи добились функциональной экспрессии растительного Rubisco в бактерии, одновременно экспрессируя в одних и тех же клетках растительные шапероны и сам фермент. Это не только позволяет понять сложный путь сборки Rubisco, но и модифицировать его ген для улучшения свойств фермента. После получения варианта Rubisco с желаемым признаком модифицированный ген можно вставить обратно в клетки растения.

"Бактериальная система экспрессии похожа на сборочную линию для автомобилей. Раньше каждый оптимизированный вариант Rubisco приходилось кропотливо экспрессировать в трансгенном растении, на что уходил год или больше — это как строить машину вручную. Теперь мы можем создавать сотни или тысячи вариантов Rubisco за дни или недели. Это как автоматизированная сборочная линия", — объясняет Хайер-Хартл.

Улучшенные варианты Rubisco

Генетическая инженерия облегчает создание вариантов Rubisco с улучшенными функциональными свойствами. Это может привести не только к столь необходимому увеличению урожайности, но и к созданию сортов растений с повышенной эффективностью использования воды или устойчивостью к температуре — свойствами, особенно важными в условиях глобального потепления и растущего дефицита воды.