Водоросли Chlamydomonas reinhardtii содержат органоид, называемый пиреноидом. Пиреноид ускоряет преобразование углерода, который водоросли поглощают из воздуха, в форму, чтобы организмы могли использовать ее для роста.
В статье, опубликованной 19 мая 2022 года в журнале Nature Plants, ученые из Принстонского университета вместе с коллегами рассказали, что применили молекулярное моделирование с целью определения особенности пиреноидов, наиболее важных для усиления фиксации углерода, а затем нанесли на карту, как эта функциональность может быть реализована в культурные растения.
Сегодня для многих людей основная часть пищевых калорий поступает из культурных растений, одомашненных тысячи лет назад. С тех пор достижения в области орошения, удобрения, селекции и индустриализации сельского хозяйства помогали кормить растущее человеческое население. Однако к настоящему времени нужны новые технологии, так как продовольственной безопасности угрожает изменение климата.
Ученые считают, что пиреноиды из водорослей предлагают именно такую инновацию. Если создать способность, подобную пиреноидам, концентрировать углерод в таких растениях, как пшеница и рис, эти важные источники пищи значительно ускорят развитие.
«В своем исследовании мы постарались предоставить четкое руководство по разработке механизма концентрации углерода в растениях, включая основные сельскохозяйственные культуры», - сказал Мартин Йоникас, старший автор исследования, адъюнкт-профессор молекулярной биологии в Принстоне и исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза.
Водоросль Chlamydomonas reinhardtii достигает фиксации углерода благодаря действию фермента Рубиско, который катализирует превращение СО 2 в органический углерод.
Наземные растения также используют Рубиско для связывания углерода, но в большинстве растений фермент работает примерно на треть своей мощности, потому что не может получить достаточное количество CO 2 для более быстрой работы.
Поэтому предпринимаются усилия для изучения механизмов концентрации углерода, особенно обнаруженных у цианобактерий и хламидомонад, с надеждой в конечном итоге обеспечить эту функцию для наземных сельскохозяйственных растений.
Но есть проблема. «Хотя структура пиреноида и многие его компоненты известны, ключевые биофизические вопросы о механизме остаются без ответа из-за отсутствия количественного и систематического анализа», - говорит старший соавтор Нед Уингрин, профессор Принстонского университета им. Говарда А. Прайора и профессор молекулярной биологии и Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера.
Чтобы получить представление о том, как работает механизм концентрации углерода пиреноидов водорослей, аспирант Принстона Чени Фей совместно со студенткой Александрой Уилсон, выпускницей 2020 года, разработали компьютерную модель пиреноидов с помощью соавтора Найла Мангана, доцента инженерных наук и прикладной математики в Северо-Западном университете Иллинойса.
Предыдущая работа показала, что пиреноид Chlamydomonas reinhardtii состоит из сферического матрикса Рубиско, через который проходит сосудистая сеть окруженных мембраной выростов, называемых пиреноидными канальцами, и окруженных оболочкой из крахмала.
Считается, что CO 2, поглощаемый из окружающей среды, превращается в бикарбонат, а затем транспортируется в канальцы, где затем попадает в пиреноиды. Фермент, присутствующий в канальцах, превращает бикарбонат обратно в CO 2, который затем диффундирует в матрикс Рубиско. Ученые выяснили подробности.
«Наша модель демонстрирует, что эта традиционная картина пиреноидного механизма концентрации углерода не может работать, потому что CO 2 быстро вытекает обратно из пиреноида до того, как Рубиско сможет на него воздействовать. Вместо этого крахмальная оболочка вокруг пиреноида должна действовать как диффузионный барьер для улавливания CO 2 в пиреноиды с помощью Рубиско», прокомментировал Уингрин.
В дополнение к идентификации этого диффузионного барьера модель выявила другие белки и структурные особенности, необходимые для концентрации CO 2. Модель также идентифицировала ненужные компоненты, что должно упростить внедрение пиреноидов в растения. Исследователи показали, что эта упрощенная модель пиреноида ведет себя аналогично реальной органелле.
(Источник: phys.org. Фото: pixabay.com).
