Успешное повышение каталитической активности фермента фотосинтеза Rubisco, фиксирующего CO₂

Исследовательская группа под руководством доцента Хироши Фукаямы (Университет Кобе) и профессора Хироёси Мацумуры (Университет Рицумейкан) значительно повысила каталитическую активность Rubisco — фермента, фиксирующего углерод из CO₂ в процессе фотосинтеза растений. На основе структурного анализа белков была выдвинута гипотеза о механизме, определяющем эту активность. Результаты опубликованы 31 августа в журнале Molecular Plant.

Скорость роста растений в основном определяется их фотосинтетической способностью. Rubisco катализирует начальную реакцию превращения CO₂ в органический углерод, но имеет два недостатка: очень низкую каталитическую активность и ингибирование O₂ (ошибочное связывание с O₂ вместо CO₂).

Каталитическая активность Rubisco различается у растений. У C₃-растений (рис, пшеница, соя) она низкая, а у C₄-растений (кукуруза, сахарный тростник), обладающих механизмом концентрирования CO₂ (C₄-путь), — высокая. Высокоактивный Rubisco легко ингибируется кислородом, поэтому в условиях низкой концентрации CO₂ в атмосфере он эффективен только при наличии механизма концентрирования CO₂. Однако в условиях роста уровня атмосферного CO₂ использование высокоактивного Rubisco от C₄-растений могло бы улучшить фотосинтез у C₃-растений.

Rubisco состоит из больших (RbcL) и малых (RbcS) субъединиц. Учёные сфокусировались на RbcS. Путём переноса гена RbcS из C₄-растения сорго в рис (C₃-растение) каталитическая активность Rubisco риса была увеличена в 1.5 раза (линия SS). Затем, используя CRISPR/Cas9, ген RbcS риса был «нокаутирован» в растениях, уже несущих ген RbcS сорго.

В полученной линии CSS (перенос RbcS сорго / нокаут RbcS риса) RbcS риса была полностью заменена на RbcS сорго, что привело к образованию гибридного Rubisco. Его каталитическая активность возросла примерно вдвое, достигнув уровня, характерного для C₄-растений. Такого значительного повышения ранее достичь не удавалось. Более того, растения линии CSS демонстрировали более высокую скорость фотосинтеза, чем немодифицированный (дикий тип) рис в условиях высокой концентрации CO₂, несмотря на то, что количество Rubisco в их листьях было на 30% меньше.

С помощью рентгеноструктурного анализа был исследован механизм повышения активности Rubisco под действием RbcS сорго. Каталитический центр находится в субъединице RbcL. Рядом с ним расположена структура βC в субъединице RbcS. В положении 102 в этой структуре у риса находится аминокислота изолейцин, а у сорго — лейцин. Молекула лейцина меньше, чем изолейцина. Предполагается, что в RbcS сорго это увеличивает зазоры между молекулами аминокислот, делая реакционный центр более гибким и повышая каталитическую активность. Эта новаторская гипотеза требует дальнейшей проверки.

Растения линии CSS показали высокую фотосинтетическую способность, но увеличения урожайности не произошло. Ожидается, что рост и продуктивность растений можно значительно улучшить путём соответствующего контроля уровня Rubisco.

Исследование проводилось на рисе, но важно изучить применимость этого подхода для повышения активности Rubisco у других основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница, соя и картофель. Аминокислота в положении 102 считается важным детерминантом каталитической активности. Продолжаются исследования, например, по замене только этой аминокислоты на другую и получению Rubisco с новыми свойствами.