Древний белковый фермент позволит повысить урожайность растений
Специалисты из США исследовали и проанализировали эволюцию ключевого фермента фотосинтеза — комплекса белков Рубиско. Проведенная работа позволила предсказать структуру древнего предка комплекса и синтезировать его с нуля, продемонстрировав лучшую эффективность работы. Результаты исследования позволят повысить урожайность многих сельскохозяйственных культур, чтобы к 2050 г. прокормить прогнозируемое 9 млрд население Земли.
Комплекс белков Рубиско (рибулозобисфосфаткарбоксилаза) — ключевой фермент, запускающий все процессы фотосинтеза путем связывания атмосферного углекислого газа. Механизм его работы возник более 2,5 млрд лет назад, еще до глобального события насыщения атмосферы Земли кислородом, известного как кислородная катастрофа.
Исследователи Корнеллского университета (англ. Cornell University, США) провели глубокий филогенетический анализ (своего рода анализ родословной или генеалогического древа) структуры белкового комплекса Рубиско в семействе пасленовых, к которым относятся многие сельскохозяйственные культуры: картофель, томат, баклажан, табак и другие.
Анализ позволил предсказать структуру предкового фермента Рубиско, который, вероятно, работал в фотосинтезирующих организмах 20-50 млн лет назад, когда уровень углекислого газа в атмосфере мог доходить до 800 частей на миллион.
Исследователи предсказали 98 таких предковых структур, которые затем синтезировали и определили эффективность их ферментативной работы. Для ряда предсказанных вариантов она оказалась заметно выше (до 28%), чем для обычного нынешнего Рубиско. Благодаря этому ученые определили перспективные ферменты-кандидаты, которые можно было бы внедрить методами генной инженерии в современные сельскохозяйственные культуры, сделав фотосинтез эффективнее и в итоге повысив их урожайность.
«Для следующего шага мы хотим заменить гены существующего фермента Рубиско в табаке этими предсказанными предковыми последовательностями с использованием технологии редактирования генов CRISPR, а затем изучить, как это влияет на производство биомассы. Мы, конечно, надеемся, что эксперименты покажут, что, адаптировав Рубиско к современным условиям, мы получим растения, дающие более масштабные урожаи», — подытожил профессор Морин Хэнсон (Maureen Hanson) с кафедры молекулярной биологии и генетики Корнеллского университета и также руководитель работы.
Если предлагаемый авторами метод окажется успешным, эти эффективные предковые последовательности фермента Рубиско могут быть перенесены в такие сельскохозяйственные культуры, как томаты и картофель, а также на растения из других семейств вроде сои и риса. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.