Повышение устойчивости цианобактерий к яркому свету с помощью лабораторной эволюции
Биологи из Университета Людвига-Максимилиана (LMU, Мюнхен) значительно повысили устойчивость сине-зеленых водорослей (цианобактерий) к высоким уровням освещенности с помощью метода искусственной эволюции в лаборатории.
Фотосинтез у цианобактерий, водорослей и растений может подавляться избытком солнечного света, который повреждает фотосинтетический аппарат. Группа исследователей под руководством Дарьо Лейстера использовала эволюцию в лаборатории, чтобы выявить мутации, позволяющие одноклеточным цианобактериям переносить яркий свет. Долгосрочная цель проекта — найти способы наделить сельскохозяйственные культуры устойчивостью к последствиям изменения климата.
Метод искусственной эволюции
Исходный штамм цианобактерий был адаптирован к слабому свету. Ученые подвергали клетки постепенно возрастающей интенсивности света. Для ускорения адаптации (благодаря быстрому делению клеток) естественная скорость мутаций была повышена с помощью мутагенных химикатов и УФ-излучения. В результате выжившие цианобактерии приобрели устойчивость к уровням света, превышающим максимальные естественные на Земле.
Результаты: качественные изменения белков
Было идентифицировано более 100 мутаций, связанных с повышенной светоустойчивостью. К удивлению исследователей, большинство из них привели к локальным изменениям в структуре отдельных белков, а не к перестройке их регуляции.
В качестве контроля гены двух измененных белков (по-разному влияющих на фотосинтез) были внедрены в неадаптированные штаммы. В обоих случаях это наделяло клетки повышенной толерантностью к свету по сравнению с исходным штаммом.
Перспективы для сельского хозяйства
Повышение устойчивости культурных растений к высоким или колеблющимся уровням освещенности может увеличить их продуктивность, что особенно актуально в условиях изменения климата.
«Наша стратегия делает возможными качественные изменения, позволяя нам идентифицировать новые варианты белков с новыми функциями. Поскольку эти варианты сохраняют свою функцию в многоклеточных организмах, их должно быть возможно внедрить в растения», — объясняет Дарьо Лейстер.
В отличие от традиционной генной инженерии, фокусирующейся на количественных изменениях (производстве большего или меньшего количества белка), этот подход открывает путь к качественной модификации функций белков.