Рубиско — ключевой фермент фотосинтеза — медленно эволюционирует, становясь лучше
Новое исследование под руководством Оксфордского университета показало, что рубиско — фермент, обеспечивающий энергией всю жизнь на Земле — не застрял в эволюционном тупике. Крупнейший в истории анализ рубиско выявил, что он постоянно улучшается, но очень и очень медленно. Эти открытия могут открыть новые пути для укрепления продовольственной безопасности.
Статья "Rubisco is evolving for improved catalytic efficiency and CO2 assimilation in plants" опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Рубиско, самый распространённый фермент на Земле, обеспечивает энергией жизнь на нашей планете уже три миллиарда лет. Хотя рубиско ежегодно фиксирует миллиарды тонн CO2, этот фермент печально известен своей неэффективностью. Это создало биологический парадокс, десятилетиями озадачивавший учёных: почему фермент, питающий жизнь более 3 миллиардов лет, не стал намного лучше в своей работе? Многие исследователи растений спорили, не застрял ли фермент в "эволюционном тупике".
Однако новое исследование показало, что рубиско постоянно совершенствуется, но это улучшение происходит с "ледниковой" скоростью.
Ведущий автор Жак Бувье (аспирант DPhil в Департаменте биологии Оксфордского университета) заявил: "Наше исследование впервые демонстрирует, что эволюция последовательно улучшает рубиско и что дальнейшее улучшение фермента возможно. Важно, что это открытие даёт новый оптимизм для усилий по инженерии фермента, чтобы помочь накормить мир".
Исследователи проанализировали последовательности генов рубиско у широкого спектра фотосинтезирующих организмов и впервые количественно оценили скорость его эволюции. Они обнаружили, что его последовательность изменяется минимальными шагами — всего на одно изменение основания ДНК каждые 900 000 лет. Это резко контрастирует, например, с геномом COVID-19, который эволюционирует с изменением одного основания каждые две недели. Это помещает рубиско в 1% самых медленно эволюционирующих генов на Земле.
Несмотря на такую низкую скорость изменений, исследователи выяснили, что фермент использует эту эволюцию, чтобы стать лучше в фиксации CO2. Авторы также обнаружили, что это медленно улучшающееся связывание CO2 приводит к улучшению фотосинтеза: растения эволюционируют, чтобы лучше превращать CO2 в сахар, но скорость улучшения настолько мала, что кажется замороженной.
Десятилетиями учёные стремились создать улучшенный рубиско для ускорения роста и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Но, несмотря на большие усилия, успехи были ограничены, и многие задавались вопросом, не оптимизирован ли рубиско уже до предела. Однако выводы этого исследования вселяют новую надежду. В частности, разгадка тайны того, что сдерживает скорость эволюции рубиско, может открыть новые способы повышения урожайности.
Жак Бувье добавил: "Поскольку рубиско ассимилирует сахара, которые питают жизнь на Земле, улучшение этого фермента — одно из самых перспективных направлений для борьбы с продовольственной нестабильностью. Велись жаркие споры о том, есть ли возможности для улучшения фермента; наше новое исследование даёт чёткий ответ на этот вопрос. Если эволюция может улучшить рубиско, то и мы можем!"
Старший автор, профессор Стивен Келли (Департамент биологии, Оксфордский университет), сказал: "Мы показали, что рубиско не заморожен во времени, а постоянно эволюционирует, становясь лучше. Теперь нам нужно понять факторы, которые сдерживают рубиско, чтобы мы могли реализовать его истинный потенциал".
Это новое понимание обнадёживает усилия, направленные на повышение урожайности продовольственных, волокнистых и топливных культур путём инженерии рубиско. Улучшение рубиско может стать ключом к поддержанию продовольственных потребностей растущего населения планеты.