Ускорение фотосинтеза

Исследователи из Института биохимии Макса Планка (Германия) совместно с коллегами из Австралийского национального университета изучили формирование карбоксисом — структур, повышающих эффективность фотосинтеза у водных бактерий. Результаты, опубликованные в Nature, могут помочь в создании растений с более эффективным фотосинтезом и, как следствие, более высокой урожайностью.

Фотосинтез — важен, но неэффективен

В процессе фотосинтеза растения и некоторые микробы с помощью солнечного света превращают воду и углекислый газ (CO₂) в сахара и кислород. Ключевой фермент этой реакции — рубиско, который катализирует фиксацию CO₂ из атмосферы.

Однако рубиско, самый распространённый фермент на Земле, работает медленно и неэффективно. Вместо связывания с CO₂ он может вступать в реакцию с кислородом, что приводит к значительным потерям энергии. Поэтому учёные пытаются создать более эффективную версию рубиско.

Цианобактерии, водные фотосинтезирующие микробы, выработали стратегию повышения эффективности своего фермента рубиско. Они локально повышают концентрацию CO₂ в специализированных структурах — карбоксисомах, — куда и помещают свой рубиско. Это позволяет снизить потери энергии в побочной реакции с кислородом. Новое исследование показало, как инициируется формирование карбоксисом.

Захват рубиско для дополнительной энергии

Цианобактерии используют белок-помощник CcmM для захвата рубиско. Ранее предполагалось, что повторяющиеся модули CcmM, напоминающие малую субъединицу рубиско, заменяют эти субъединицы при взаимодействии, связывая молекулы рубиско.

Однако комплекс CcmM и рубиско очень динамичен, что не позволяло изучить его структуру традиционными методами. «В этом исследовании мы воспользовались быстро развивающимся методом криоэлектронной микроскопии, чтобы зафиксировать эти динамичные взаимодействия», — говорит Хупин Ван, один из первых авторов работы.

С помощью крио-ЭМ исследователи показали, что CcmM не заменяет малую субъединицу рубиско, а связывает молекулы рубиско вместе посредством неожиданного механизма.

Взаимодействие между CcmM и рубиско вызывает разделение фаз (phase separation) этого белкового комплекса от других белков в клетке. «Этот процесс концентрирует белки локально. У цианобактерий белковая оболочка карбоксисомы затем формируется вокруг CcmM и рубиско, прошедших разделение фаз, чтобы захватить их», — поясняет Сяо Ян, также первый автор исследования. Аналогичный процесс разделения фаз играет роль и в нейродегенеративных заболеваниях, таких как боковой амиотрофический склероз.

Формирование карбоксисом ускоряет фотосинтез, поскольку эти микрокомпартменты концентрируют CO₂ вблизи рубиско, повышая эффективность фермента. Результаты работы значительно углубляют понимание того, как формируются эти концентрирующие CO₂ структуры.

Манажит Хайер-Хартл описывает потенциальное применение результатов: «Если бы мы смогли перенести функционирующие карбоксисомы в высшие растения, это дало бы сельскохозяйственным культурам дополнительный импульс, позволив им фиксировать CO₂ эффективнее. Энергия, которая обычно теряется в реакции рубиско с кислородом, пошла бы на производство биомассы».

В долгосрочной перспективе это исследование может способствовать созданию более эффективных культур, снижению потребности в удобрениях и улучшению глобальной продовольственной безопасности.