Ученые воскресили древние ферменты для улучшения фотосинтеза

Исследование Корнеллского университета описывает прорыв в попытках улучшить фотосинтез у некоторых сельскохозяйственных культур. Это шаг к адаптации растений к быстрым климатическим изменениям и увеличению урожайности для питания прогнозируемых 9 миллиардов человек к 2050 году.

Исследование «Улучшение эффективности Rubisco путем воскрешения его предков в семействе Solanaceae» было опубликовано 15 апреля в Science Advances. Старший автор — Морин Хэнсон, профессор молекулярной биологии растений. Первый автор — Мьят Лин, научный сотрудник в её лаборатории.

Метод: предсказание древних генов

Авторы разработали вычислительную технику для предсказания благоприятных генетических последовательностей, кодирующих Rubisco — ключевой фермент фотосинтеза у растений. Метод позволил идентифицировать перспективные ферменты-кандидаты, которые можно встроить в современные культуры, чтобы сделать фотосинтез эффективнее и повысить урожайность.

В основе метода — эволюционная история. Исследователи предсказали гены Rubisco, существовавшие 20–30 миллионов лет назад, когда уровень диоксида углерода (CO₂) в атмосфере Земли был выше, чем сегодня, и ферменты Rubisco были адаптированы к этим условиям.

Результаты и перспективы

Исследование описывает предсказания для 98 ферментов Rubisco в ключевые моменты эволюционной истории растений семейства Solanaceae (паслёновые), включающего томат, перец, картофель, баклажан и табак. Табак используется как экспериментальная модель.

«Нам удалось идентифицировать предсказанные древние ферменты, которые обладают превосходными качествами по сравнению с современными ферментами», — заявила Хэнсон. Мьят Лин разработал новую технику для идентификации этих предсказанных древних ферментов Rubisco.

Ученые давно знают, что урожайность можно повысить, ускорив фотосинтез — процесс, в котором растения преобразуют CO₂, воду и свет в кислород и сахара, используемые для энергии и построения новых тканей.

Проблема с Rubisco

Много лет исследователи фокусируются на Rubisco. Это медленный фермент, который захватывает (фиксирует) углерод из CO₂ для создания сахаров. Помимо медлительности, Rubisco иногда катализирует реакцию с кислородом воздуха, создавая токсичный побочный продукт, расходуя энергию и снижая эффективность фотосинтеза.

Лаборатория Хэнсон ранее пыталась использовать Rubisco из цианобактерий (сине-зелёных водорослей), который быстрее, но также легко реагирует с кислородом. Другие исследователи пытались создать более оптимальный Rubisco, изменяя его аминокислоты, но было мало известно, какие изменения приведут к желаемому результату.

Эволюционный подход

В этом исследовании Лин реконструировал филогению (древовидную диаграмму эволюционной связи) Rubisco, используя растения семейства Solanaceae. «Получив множество [генетических] последовательностей Rubisco у существующих растений, можно построить филогенетическое дерево, чтобы выяснить, какие Rubisco, вероятно, существовали 20–30 миллионов лет назад», — пояснила Хэнсон.

Преимущество этого подхода в том, что 25–50 миллионов лет назад уровень CO₂ в атмосфере мог достигать 500–800 частей на миллион (ppm). Сегодня уровень CO₂ резко растет из-за деятельности человека и составляет около 420 ppm, тогда как до 1950-х годов он оставался относительно постоянным — ниже 300 ppm на протяжении сотен тысячелетий.

Экспериментальная проверка

Затем Лин, Хэнсон и коллеги использовали экспериментальную систему, разработанную для табака в лаборатории Хэнсон и описанную в статье 2020 года в Nature Plants. Система использует бактерии E. coli для тестирования эффективности различных версий Rubisco за один день, в то время как аналогичные тесты на растениях занимают месяцы.

Команда обнаружила, что предсказанные древние ферменты Rubisco действительно демонстрируют потенциал большей эффективности.

Следующие шаги

«Следующим шагом мы хотим заменить гены существующего фермента Rubisco в табаке на эти предковые последовательности с помощью технологии CRISPR [генного редактирования], а затем измерить, как это влияет на производство биомассы», — сказала Хэнсон. «Мы, безусловно, надеемся, что наши эксперименты покажут: адаптируя Rubisco к современным условиям, мы получим растения с более высокой урожайностью».

Если метод окажется успешным, эти эффективные последовательности Rubisco можно будет перенести в такие культуры, как томаты, а также в растения из других семейств, например, сою и рис.