Исследование, проведенное учеными из Института Бойса Томпсона (BTI), Корнельского университета и Эдинбургского университета, было посвящено фундаментальной проблеме в сельском хозяйстве: фермент, отвечающий за поглощение углекислого газа из воздуха в процессе фотосинтеза, — называемый Рубиско, — работает медленно и неэффективно.
«Рубиско, пожалуй, самый важный фермент на планете, потому что он является точкой входа почти всего углерода в пище, которую мы едим. Но он работает медленно и легко отвлекается кислородом, что приводит к потере энергии и ограничивает эффективность роста растений», — сказала доцент BTI Фэй-Вэй Ли, соруководитель исследования.
Некоторые организмы выработали хитрый обходной путь. Например, водоросли упаковывают Рубиско в крошечные специализированные отсеки внутри своих клеток, называемые пиреноидами — по сути, микроскопические пузырьки, которые концентрируют углекислый газ вокруг фермента, помогая ему работать гораздо эффективнее.
Ученые давно мечтали установить эту систему турбонаддува в сельскохозяйственные культуры, в которых отсутствуют пиреноиды. Но перенести механизмы, используемые в водорослях, оказалось крайне сложно.
Прорыв произошел благодаря изучению роголистников — единственных известных наземных растений, обладающих компартментами для концентрации CO₂, подобными тем, что есть у водорослей. Поскольку роголистники имеют более недавнюю эволюционную историю с сельскохозяйственными культурами, чем водоросли, исследовательская группа предположила, что их молекулярный механизм может легче переноситься. Результаты оказались неожиданными.
«Мы предполагали, что роголистники будут использовать нечто подобное тому, что используют водоросли — отдельный белок, который объединяет Рубиско. Вместо этого мы обнаружили, что они модифицировали сам Рубиско, чтобы он выполнял эту работу», — сказал Таннер Робисон, аспирант, работающий с Ли и один из соавторов статьи.
Ключевую роль играет необычный белковый компонент, который исследователи назвали RbcS-STAR. Рубиско состоит из больших и малых белковых фрагментов. У роголистников один из вариантов малого фрагмента имеет дополнительный «хвост» — область STAR, — который действует как молекулярная липучка, заставляя белки Рубиско образовывать целую группу.
Чтобы проверить, может ли STAR работать за пределами своего естественного ареала — роголистника, команда провела серию экспериментов. Сначала они ввели RbcS-STAR в близкородственный вид роголистника, у которого отсутствуют пиреноиды. Результат: Рубиско реорганизовался из разрозненного распределения в концентрированные пиреноидоподобные структуры.
Затем они провели тот же эксперимент на арабидопсисе, растении, широко используемом в лабораторных исследованиях. И снова Рубиско образовал плотные компартменты внутри хлоропластов растения.
«Мы даже попробовали прикрепить только хвостовую часть STAR к ферменту Рубиско арабидопсиса, и это вызвало тот же эффект кластеризации. Это говорит нам о том, что STAR действительно является движущей силой. Это модульный инструмент, который может работать в различных растительных системах», — сказал Алистер Маккормик, профессор Эдинбургского университета, один из руководителей исследования.
Именно эта возможность переноса делает данное открытие столь значимым для сельского хозяйства. Оно предполагает, что исследователи смогут инициировать кластеризацию Рубиско в сельскохозяйственных культурах, используя единый универсальный «липучкообразный» механизм, вместо того чтобы прибегать к сложным биоинженерным решениям.
Исследователи отмечают, что проблемы остаются. Теперь для подачи CO₂ в Рубиско необходима «система воздуховодов». «Мы построили дом, способный работать на Рубиско, но он не будет энергоэффективным, если мы не обновим систему отопления, вентиляции и кондиционирования», — сказала Лора Ганн, доцент Корнельского университета, соруководитель исследования. Сейчас команда работает над решением этой проблемы.
Тем не менее, это открытие знаменует собой важный шаг вперед в области, обладающей огромным потенциалом. Даже незначительное повышение эффективности фотосинтеза может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, одновременно снижая воздействие сельского хозяйства на окружающую среду — важнейшая цель на пути к более устойчивому производству продуктов питания.
«Это исследование показывает, что природа уже предоставила решения, из которых мы можем извлечь уроки. Наша задача — достаточно хорошо понять эти решения, чтобы применить их там, где они наиболее необходимы — в сельском хозяйстве, которое кормит мир», — сказала Ли.
Источник: Boyce Thompson Institute. На фото вы видите Phaeoceros laevis — вид роголистника, широко известный как гладкий роголистник. Автор фото: Дес Каллахан.
