Биологи получили растения с усовершенствованным фотосинтезом

И человечество, и практически вся жизнь на Земле опирается на фотосинтез – проводимую растениями, цианобактериями и некоторыми другими организмами серию реакций, в ходе которых энергия солнечного света используется для синтеза органических молекул из воды и углекислого газа. Первый шаг этого процесса – фиксация СО₂ из атмосферы, и проводит его фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза (Рубиско), который катализирует взаимодействие углекислого газа с пятиуглеродной молекулой сахара, с образованием двух трехуглеродных молекул, которые вовлекаются в дельнейший метаболизм.

Рубиско встречается в листьях всех растений и считается едва ли не самым распространенным ферментом на планете, – но далеко не самым эффективным. Белок то и дело «ошибается» и вместо углекислого газа связывает кислород, что ведет к появлению не столь важных для клетки побочных продуктов, таких как фосфат гликолевой кислоты (ФГК). Эти молекулы утилизируются, однако с трудом и не всегда с нужной скоростью, а накапливаясь, они способны нарушить нормальное течение фотосинтеза. В результате снижается продуктивность растения – например, рис, по разным оценкам, мог бы давать от 20 до 50 процентов больше урожая, если бы Рубиско работал с большей точностью.

Этой задачей и занялись ученые из группы профессора Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Дональда Орта (Donald Ort). В статье, опубликованной в журнале Science, они описывают эксперименты по замещению естественных путей утилизации побочных продуктов реакции Рубиско с кислородом новыми, более эффективными. В норме они требуют целых девяти реакций, однако альтернативные варианты позволяют проводить нужные превращения за меньшее число шагов. Авторы новой работы сумели уложиться всего в два, используя ферменты, гены которых были позаимствованы у тыквы и одноклеточных водорослей и превращают ФГК в яблочную кислоту, которая легко утилизируется клетками растений.

Чтобы оценить эффективность новой системы метаболизма ФГК, Орт и его коллеги внесли ее (а также два альтернативных варианта утилизации ФГК, предложенных ранее) в геном табака. Растения выращивались в теплицах, а ученые следили за изменениями в их производительности. Обнаружилось, что ранее предложенные варианты «усовершенствования» первых шагов фотосинтеза не слишком эффективны и дают максимум 15-процентный прирост сухой массы растений. Однако новый, двухэтапный путь позволил увеличить ее в среднем на 25 процентов – а в некоторых случаях и на 40.

«Так же как Панамский канал стал инженерным проектом, который позволил повысить эффективность торговых путей, улучшение фотореспираторных путей – проект из области инженерии растений, который позволит существенно повысить эффективность фотосинтеза», – сказал, комментируя работу, Стивен Лонг (Stephen Long), глава исследований RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, «Реализация фотосинтеза повышенной продуктивности»).

Этот масштабный международный проект воплощается при поддержке государственных и неправительственных фондов, целью его является выведение новых сортов растений, способных к более эффективному фотосинтезу. Достижение ученых из Иллинойса стало большим шагом на пути к этой цели: по словам Дональда Орта, дополнительные калории, которые благодаря их «усовершенствованию» могли бы дать растения, позволили бы одним лишь фермерам американского Среднего Запада кормить на 200 млн человек больше.