Создание азотфиксирующих злаков: путь к биотехнологической мечте
Растущий спрос на продовольствие заставляет искать способы увеличения урожайности. Одна из ключевых задач — обеспечение растений азотом, важнейшим питательным элементом.
Проблема химических удобрений
Такие культуры, как кукуруза, пшеница и рис, не могут самостоятельно фиксировать азот из воздуха и зависят от удобрений. Хотя химические удобрения (80% которых производится по энергоемкому процессу Габера-Боша) повысили урожайность, они создают серьезные проблемы:
- Высокое потребление энергии и ископаемого топлива.
- Загрязнение водоемов (стоки удобрений вызывают цветение воды), что обходится США в $157 млрд ежегодно.
- Проблемы доступности для фермеров в бедных регионах из-за логистики и стоимости.
Стратегия лаборатории Voigt: использование органелл
Группа Кристофера Войгта из MIT при поддержке Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) работает над переносом способности к фиксации азота от бактерий (прокариот) к злакам (эукариотам). Сложность в том, что кластер nif-генов, отвечающий за этот процесс у бактерий, очень велик, а системы регуляции генов у прокариот и эукариот кардинально различаются.
Решение найдено в таргетировании органелл клетки — хлоропластов и митохондрий. Эти органеллы имеют бактериальное происхождение и сохранили сходство с прокариотами, что упрощает перенос генов. Кроме того, они обладают подходящей средой:
- Вырабатывают много ATP, необходимого для работы нитрогеназы (фермента, фиксирующего азот).
- Имеют низкий уровень кислорода (хлоропласты ночью, митохондрии в растениях), к которому нитрогеназа очень чувствительна.
Международная коллаборация
Благодаря грантам J-WAFS, лаборатория Войгта привлекла зарубежных экспертов:
- Луис Рубио (Политехнический университет Мадрида) — эксперт по биохимии фиксации азота. Совместно была разработана система доставки генов нитрогеназы в митохондрии дрожжей (простых эукариот). В результате были получены первые эукариотические организмы, демонстрирующие образование структурных белков нитрогеназы.
- Ральф Бок (Институт молекулярной физиологии растений Макса Планка) — эксперт по хлоропластам. Детали их совместных успехов в инженерии сельскохозяйственных культур будут опубликованы в ближайшие месяцы.
Достижения и перспективы
Лаборатории Войгта удалось достичь значимых результатов:
- Разработан метод таргетирования нитрогеназы в митохондрии.
- В митохондриях дрожжей экспрессирован полный тетрамер NifDK — ключевой белок кластера нитрогеназы.
Это важные шаги на пути к созданию азотфиксирующих злаковых культур, которые могли бы революционизировать мировое производство зерна, снизив зависимость от химических удобрений. Исследования продолжаются для реализации этой цели.