Ученые ищут способы повысить эффективность ферментов растений для увеличения производства пищи

Ферменты играют ключевую роль в клетках всех живых существ. Некоторые изнашиваются после нескольких реакций, другие могут работать сотни тысяч раз.

Организмы тратят много энергии на замену изношенных ферментов. У культурных растений более долговечные ферменты могли бы повысить урожайность, считает профессор Эндрю Хэнсон.

"Замена ферментов — огромные энергозатраты для организма. Но никто не задавался вопросом: 'Как долго служат ферменты и что это определяет?' Чтобы улучшить их срок службы, нужно знать, на какие ферменты нацелиться", — сказал Хэнсон, ведущий автор нового исследования.

В работе представлен новый критерий оценки долговечности ферментов — Catalytic Cycles until Replacement (CCR). Это первый шаг к увеличению срока службы ферментов и, в перспективе, к росту производства продовольствия. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences при поддержке гранта Национального научного фонда (NSF).

Хэнсон проводит аналогию между деталями автомобиля и ферментами в клетке. Как и автозапчасти, ферменты изнашиваются от повторяющихся операций. CCR указывает, сколько раз фермент может выполнить свою задачу до замены.

"Растения, которые мы выращиваем, тратят много энергии на обслуживание ферментов, оставляя меньше энергии на рост зерна или других частей, которые мы собираем", — пояснил Хэнсон. — "Многие ферменты растений можно улучшить, и с CCR мы знаем, с чего начать".

Лаборатория Хэнсона уже работает над улучшением одного из растительных ферментов — THI4. Этот фермент катализирует реакцию синтеза тиамина (витамина B₁), но является "одноразовым": он катализирует реакцию лишь один раз, после чего саморазрушается.

"Одно из возможных решений — найти другой фермент, который также производит тиамин, но служит дольше, чем THI4", — сказал Хэнсон.

Для этого лаборатория использует метод направленной эволюции. Традиционная селекция растений для поиска нужных генетических комбинаций может занимать годы. Направленная эволюция ускоряет этот процесс, используя естественные механизмы мутации и отбора у бактерий или дрожжей.

Улучшенные гены затем можно перенести в растение с помощью технологий вроде CRISPR для редактирования его генома. В результате растение будет производить более эффективные ферменты, что повысит его продуктивность.