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.

Упрощенные филогенетические деревья для двух субъединиц комплекса Рубиско. На вставке показано изменение уровня углекислого газа в атмосфере Земли за последние 25 миллионов лет (до 2000 года). Текущий уровень углекислого газа поднялся уже до 410-420 частей на миллион (ppm). / © Lin M.T., et al., Science Advances, 2022

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.