Ученые воскресили древний фермент для повышения урожайности растений
Американские исследователи проанализировали эволюцию ключевого фермента фотосинтеза — комплекса белков Рубиско. Это позволило предсказать структуру древнего предка комплекса и синтезировать его с нуля, продемонстрировав лучшую эффективность работы. Результаты исследования позволят повысить урожайность многих сельскохозяйственных культур, чтобы к 2050 году прокормить прогнозируемое девятимиллиардное население Земли.
Комплекс белков Рубиско (рибулозобисфосфаткарбоксилаза) — ключевой фермент, запускающий все процессы фотосинтеза путем связывания атмосферного углекислого газа. Механизм его работы возник более 2,5 миллиарда лет назад, еще до глобального события насыщения атмосферы Земли кислородом, известного как кислородная катастрофа. В те времена у фермента не было необходимости отличать углекислый газ от кислорода, ведь последнего в атмосфере практически не было, поэтому Рубиско был строго специфичен и связывал только молекулу СО2.
Однако по мере повышения уровня кислорода в атмосфере оказалось, что Рубиско также способен связывать и молекулу О2, из-за чего даже современные фотосинтезирующие организмы сохранили способность к фотодыханию — процессу, по сути, обратному фотосинтезу. В этом процессе потребляется кислород и производится углекислый газ, что замедляет работу Рубиско, тратит энергию и делает фотосинтез не столь эффективным. Для снижения влияния фотодыхания на эффективность фотосинтеза эволюция увеличивала специфичность Рубиско к углекислому газу, а также создавала механизмы предварительной концентрации СО2 в некоторых растениях.
За последние 20-30 миллионов лет уровень углекислого газа в атмосфере окончательно упал и не поднимался выше 300 частей на миллион вплоть до 1950-х. Фотосинтезирующие организмы приспособились к таким условиям и подстроили параметры и структуру фермента Рубиско нужным образом. Теперь же, когда менее чем за сотню лет деятельность человека повысила уровень углекислого газа до 420 частей на миллион (и продолжает это делать), у ученых возникла идея адаптации растений к новым условиям для повышения их урожайности с помощью генной инженерии.
Сотрудники Корнеллского университета (США) провели глубокий филогенетический анализ (своего рода анализ родословной или генеалогического древа) структуры белкового комплекса Рубиско в семействе пасленовых, к которым относятся многие сельскохозяйственные культуры: картофель, томат, баклажан, табак и другие. Анализ позволил предсказать структуру предкового фермента Рубиско, который, вероятно, работал в фотосинтезирующих организмах 20-50 миллионов лет назад, когда уровень углекислого газа в атмосфере мог доходить до 800 частей на миллион.
Точнее было предсказано 98 таких предковых структур, которые затем синтезировали и определили эффективность их ферментативной работы. Для ряда предсказанных вариантов она оказалась заметно выше (до 28%), чем для обычного нынешнего Рубиско. Благодаря этому ученые определили перспективные ферменты-кандидаты, которые можно было бы внедрить методами генной инженерии в современные сельскохозяйственные культуры, сделав фотосинтез эффективнее и в итоге повысив их урожайность.
«Для следующего шага мы хотим заменить гены существующего фермента Рубиско в табаке этими предсказанными предковыми последовательностями с использованием технологии редактирования генов CRISPR, а затем изучить, как это влияет на производство биомассы. Мы, конечно, надеемся, что эксперименты покажут, что, адаптировав Рубиско к современным условиям, мы получим растения, дающие более масштабные урожаи», — подытожил профессор кафедры молекулярной биологии и генетики Корнеллского университета и старший автор работы Морин Хэнсон (Maureen Hanson).
Если предлагаемый авторами метод окажется успешным, эти эффективные предковые последовательности фермента Рубиско могут быть перенесены в такие сельскохозяйственные культуры, как томаты и картофель, а также на растения из других семейств вроде сои и риса.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии