Идентифицировано семейство генов цианобактерий, помогающее контролировать фотосинтез

Исследование Мичиганского государственного университета выявило семейство генов у цианобактерий, которые помогают контролировать фиксацию диоксида углерода.

Это открытие углубляет наши базовые знания о фотосинтезе и открывает новые возможности для проектирования систем устойчивого биотехнологического производства.

Исследование опубликовано в журнале New Phytologist.

Цианобактерии и растения имеют общий фермент — рубиско, который захватывает CO₂ из атмосферы. Этот захват углерода — первая в серии реакций, превращающих углерод в высокоэнергетические молекулы, питающие организмы планеты.

У растений работа рубиско часто блокируется малыми молекулами, которые к нему присоединяются. В ответ на это белок Rubisco activase приходит на помощь, удаляя нежелательные молекулы, чтобы рубиско снова мог работать.

Благодаря достижениям в биоинформатике лаборатории Шерил Керфельд удалось идентифицировать у цианобактерий ген, похожий на кодирующий растительный Rubisco activase.

Новый ген кодирует то, что лаборатория назвала активазоподобным цианобактериальным белком (ALC).

«Этот ген широко распространен во многих таксономических группах цианобактерий, включая различные одноклеточные и многоклеточные нитчатые виды», — сообщила Сигаль Лечно-Йосеф, научный сотрудник лаборатории Керфельд.

Функция цианобактериального ALC остается неизвестной. Ученые попытались смешать ALC из модельной цианобактерии Fremyella diplosiphon с ингибированным рубиско того же организма в пробирке. ALC не снимал ингибирование рубиско малыми молекулами.

Однако в клетке этот белок физически близок к рубиско, как и его растительный аналог. Это одна из причин, по которой Лечно-Йосеф предполагает, что они могут работать вместе.

«У нас также есть биоинформатические данные, показывающие, что ALC эволюционировал вместе с рубиско у цианобактерий. Это открытие является дополнительным подтверждением взаимодействия между этими двумя белками», — отметила Лечно-Йосеф.

Итак, если ALC не разблокирует рубиско, что же он делает?

«Мы наблюдали, как ALC вызывает агрегацию белков рубиско. Эта функция аналогична функции другого цианобактериального белка, который, как известно, участвует в регуляции и локализации рубиско в клетке», — пояснила исследовательница.

Есть также свидетельства, что ALC помогает своему хозяину определять уровень CO₂ для корректировки скорости фотосинтеза. Когда команда удалила ген ALC у лабораторной цианобактерии, организм не испытал драматических изменений в росте (у растений удаление аналогичного Rubisco activase приводит к голоданию из-за нехватки углерода).

Однако те же штаммы демонстрировали морфологические изменения при выращивании в среде, богатой CO₂.

Новое исследование перспективно для биотехнологической отрасли. В растениях Rubisco activase является объектом многочисленных исследований в рамках усилий по повышению эффективности рубиско. Улучшение рубиско привело бы к растениям с более высокой питательной ценностью и урожайностью, но такие попытки пока не увенчались успехом.

«Исследователи цианобактерий также хотят увеличить выход энергии от фотосинтеза. Цель — перенастроить фотосинтетический аппарат цианобактерий для производства возобновляемых энергетических соединений или материалов для использования в медицине или промышленности», — сказала Лечно-Йосеф.

«Теперь, когда мы знаем, что у цианобактерий есть фермент, поддерживающий рубиско, мы можем попытаться создать более устойчивые цианобактерии для промышленного применения».