Синтетическая биология для суперзарядки фотосинтеза в сельскохозяйственных культурах

Австралийские исследователи создали нанокомпартменты, которые могут помочь суперзарядить фотосинтез, потенциально повышая урожайность пшеницы и риса и сокращая потребление воды и азота.

Группы под руководством доцента Ю Хенг Лау из Сиднейского университета и профессора Спенсера Уитни из Австралийского национального университета пять лет работали над фундаментальной проблемой: как сделать фиксацию углерода растениями более эффективной.

Команда сконструировала наномасштабные "офисы", которые могут размещать фермент Рубиско в ограниченном пространстве. Это позволяет ученым точно настраивать совместимость для будущего использования в сельскохозяйственных культурах, что должно позволить им производить пищу с меньшими затратами ресурсов. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Рубиско — распространенный в растениях фермент, необходимый для "фиксации" углекислого газа в процессе фотосинтеза.

"Несмотря на то, что это один из важнейших ферментов на Земле, Рубиско удивительно неэффективен", — говорит ведущий исследователь доктор Тейлор Шишка из Центра передового опыта ARC в области синтетической биологии и Школы химии Сиднейского университета.

"Рубиско работает очень медленно и может ошибочно вступать в реакцию с кислородом вместо CO₂, что запускает совершенно другой процесс, расточающий энергию и ресурсы. Эта ошибка настолько распространена, что важные продовольственные культуры, такие как пшеница, рис, рапс и картофель, выработали грубое решение: массово производить Рубиско".

В некоторых листьях до 50% растворимого белка составляют копии этого одного фермента, что представляет собой огромные затраты энергии и азота для растения. "Это основное узкое место, ограничивающее эффективность роста растений", — говорит Давин Виджая, аспирант Австралийского национального университета, соавтор исследования.

Некоторые организмы решили эту проблему миллионы лет назад. Водоросли и цианобактерии размещают Рубиско в специализированных компартментах и снабжают их концентрированным CO₂. Это как крошечные домашние офисы, которые позволяют ферменту работать быстрее и эффективнее, имея все необходимое под рукой.

Ученые годами пытались внедрить эти естественные системы концентрирования CO₂ в сельскохозяйственные культуры. Но даже простейшие из этих содержащих Рубиско компартментов у цианобактерий, называемые карбоксисомами, структурно сложны. Для их сборки требуется работа множества генов в точном балансе, и они могут содержать только свой собственный, нативный Рубиско.

Команды Лау и Уитни выбрали другой подход, используя инкапсулины. Это простые белковые капсулы бактерий, для сборки которых требуется всего один ген. Это как кубики Lego, которые автоматически соединяются, в отличие от сборки сложной мебели из плоской упаковки.

Чтобы загрузить Рубиско внутрь, исследователи добавили к ферменту короткий "адресный тег" из 14 аминокислот, который, как почтовый индекс, направляет фермент в пункт назначения внутри собирающегося компартмента.

Команда протестировала три разновидности Рубиско: из растения и две из бактерий. Они обнаружили, что важен тайминг. Для более сложных форм фермента им нужно было сначала собрать Рубиско, а затем построить белковую оболочку вокруг него.

"Рубиско не собирался правильно при попытке делать и то, и другое одновременно", — сказал Виджая.

Доктор Шишка отметила: "Еще одно классное преимущество нашей системы в том, что она модульная. Карбоксисомы могут упаковывать только свой собственный Рубиско, тогда как наша система инкапсулина может упаковывать любой тип".

"Самое захватывающее, мы обнаружили, что поры в оболочке инкапсулина позволяют субстрату и продуктам Рубиско входить и выходить", — добавила она.

Исследователи подчеркивают, что это всего лишь доказательство концепции. Им необходимо добавить дополнительные компоненты, которые обеспечат Рубиско высокопроизводительную среду. Ранние эксперименты на растениях уже ведутся в ANU. "Мы знаем, что можем производить инкапсулины в бактериях или дрожжах; следующий логичный шаг — производить их в растениях. Наши предварительные результаты выглядят многообещающе", — сказал Виджая.

В случае успеха культуры с этой технологией повышенной фиксации CO₂ могут давать более высокие урожаи, используя меньше воды и азотных удобрений. Это критически важные преимущества, поскольку изменение климата и рост населения оказывают давление на глобальные продовольственные системы.