Ускорение фотосинтеза путём «снятия тормозов» может иметь обратный эффект

Инженеры, стремясь ускорить систему, ищут «узкие места» — самые медленные этапы — и делают их быстрее. Многие лаборатории применяют этот подход к фотосинтезу, процессу, с помощью которого растения и водоросли улавливают солнечную энергию. Поскольку население растёт, требуется повысить эффективность фотосинтеза для производства большего количества пищи и топлива.

Однако исследование доктора Ацуко Канадзавы и лаборатории Крамера показывает, что для биологических систем метод «узких мест» может принести больше вреда, чем пользы, потому что эти «узкие места» существуют не случайно.

ATP-синтаза: удивительная биологическая наномашина

Учёные более 15 лет изучают ATP-синтазу — белковый комплекс в хлоропластах, необходимый для запасания солнечной энергии в виде «высокоэнергетических молекул» (ATP), которые питают жизнь на Земле. У растений ATP-синтаза часто является одним из самых медленных процессов фотосинтеза, ограничивая количество запасаемой энергии.

Эксперимент с ускорением

Исследователи изучили мутантное растение cfq, у которого ATP-синтаза работала непрерывно, без замедления. В стабильных лабораторных условиях (мягкий постоянный свет, температура, вода) это растение росло больше, чем его дикий сородич.

Однако при выращивании в более изменчивых условиях, приближённых к реальным (колебания света и температуры), мутантное растение получало серьёзные повреждения и почти погибало.

Причина медленной работы: защитный «тормоз»

Исследования показали, что медленная работа ATP-синтазы — это не случайность, а важный защитный механизм. Он предотвращает перепроизводство в фотосинтезе вредных химических веществ — активных форм кислорода (reactive oxygen species), которые могут повредить или убить растение.

«Оказывается, солнечный свет может быть вреден для растений, — говорит Дейв Крамер. — Когда растения не могут использовать поглощаемую световую энергию, фотосинтез «застревает», и накапливаются токсичные соединения. Это особенно опасно при быстрых изменениях света и температуры».

ATP-синтаза чувствует эти изменения и замедляет улавливание света, чтобы предотвратить повреждения. Таким образом, быстрая ATP-синтаза у мутанта cfq вредна для выживания растения.

«Это как если бы я пообещал сделать вашу машину быстрее, сняв тормоза. Это сработает, но только очень недолго. Потом всё пойдёт очень плохо», — говорит Дейв.

Вывод для будущих улучшений

«Чтобы улучшить фотосинтез, нужно не полностью убирать «тормоза», как у cfq, а научиться лучше ими управлять. Нам необходимо выяснить, как растение нажимает на тормоз, и настроить эту систему так, чтобы она реагировала быстрее и эффективнее», — заключает Дейв.

Ацуко добавляет: «Учёные пробуют разные методы улучшения фотосинтеза. В конечном счёте, нам всем необходимо решать долгосрочные проблемы, и критически важно продолжать кормить растущее население Земли».

Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Plant Science.