Инженерная фиксация азота в зерновых культурах стала на шаг ближе

Британско-китайская исследовательская группа открыла новый способ инженерной фиксации азота, приблизив нас к цели создания сельскохозяйственных культур, способных фиксировать собственный азот.

Одним из главных факторов, ограничивающих рост растений, является доступность азота, но только бактерии и другие одноклеточные микроорганизмы, называемые археями, могут усваивать азот из воздуха и фиксировать его в форме, пригодной для использования растениями. Этот процесс, осуществляемый микробами, известен как биологическая фиксация азота.

Бобовые получают азот от симбиотических азотфиксирующих бактерий, но зерновые культуры, включая пшеницу и кукурузу, зависят от наличия фиксированного азота в почве. Во многих случаях внесение химических удобрений — единственный способ обеспечить растения достаточным количеством азота для хорошего урожая.

Использование азотных удобрений приводит к выбросам закиси азота, парникового газа, чей потенциал глобального потепления в 300 раз выше, чем у диоксида углерода. Создавая культуры, способные фиксировать собственный азот, мы надеемся сократить использование азотных удобрений и смягчить их воздействие на окружающую среду. Такой прорыв также может иметь глобальные последствия для продуктивности зерновых культур.

В данной работе исследовательской группе удалось инженерным путём создать систему фиксации азота, используя новую стратегию. Она упрощает процесс внедрения множества генов, обеспечивая сбалансированную экспрессию в новом организме-хозяине. Фиксация азота — сложный и тонкий процесс, требующий баланса многочисленных ключевых компонентов. До сих пор достижение правильного баланса этих компонентов было серьёзным препятствием для инженерной фиксации азота в зерновых культурах.

Новый метод заключается в организации большого числа генов, необходимых для фиксации азота, в меньшее количество "гигантских генов". Они затем экспрессируются в клетке-хозяине в виде огромных белков, известных как "полипротеины", которые впоследствии разрезаются специфическим протеазным ферментом, высвобождая отдельные компоненты системы фиксации азота. Инновационная часть метода — то, как группа определила необходимое количество каждого компонента и затем сгруппировала их вместе. Этот шаг гарантирует производство правильного баланса.

Профессор Рэй Диксон, руководитель проекта по молекулярной микробиологии в Центре Джона Иннеса, сказал: "Это действительно захватывающее достижение для синтетической биологии, поскольку оно приближает цель создания азотфиксации в злаках".

Совместная команда Пекинского университета и Центра Джона Иннеса утверждает, что этот перспективный метод будет полезен для переноса сложных систем из прокариот, таких как бактерии, в эукариотические организмы-хозяева, такие как растения.

Профессор Диксон продолжает: "В будущем этот метод также может быть применён для инженерной модификации метаболических путей в растениях с целью производства антифунгальных и антибактериальных вторичных метаболитов, обеспечивающих устойчивость к патогенам".

Ключевые выводы исследования, опубликованного в журнале PNAS, включают:

• Для минимизации числа генов классической системы нитрогеназы и оптимизации стехиометрии экспрессии генов фиксации азота (nif) была использована посттрансляционная стратегия сплайсинга белков, заимствованная у РНК-вирусов.
• Гены были сгруппированы на основе уровня их экспрессии и толерантности их белковых продуктов к C-концевому "хвосту", который остаётся после расщепления протеазой TEVp.
• После нескольких циклов тестирования и перегруппировки 14 необходимых генов были селективно собраны в 5 гигантских генов, которые обеспечивают рост на молекулярном азоте.