Фото: із відкритих джерел
Дослідники KTH Royal Institute of Technology створили та перевірили близько 15 000 генетично змінених версій бактеріального ферменту Rubisco, шукаючи варіанти з нижчою реакцією з киснем при збереженні корисного перетворення CO2.
Про це повідомляє сайт Аграрії разом з посиланням на Hortidaily.
Зростання температур і частіші посухи скорочують тривалість вегетаційного періоду в багатьох регіонах світу. На цьому тлі в KTH Royal Institute of Technology повідомили про результати дослідження, спрямованого на підвищення ефективності фотосинтезу через інженерію ферменту Rubisco.
Команда створила й протестувала близько 15 000 генетично змінених версій бактеріального Rubisco. Як пояснює професор системної біології Пол Гадсон (Paul Hudson), у роботі зосередилися саме на бактеріальному, а не рослинному Rubisco, і шукали варіанти, які підтримують ріст бактерій. Результати опубліковано в Science Advances.
Окрім «вдалих» варіантів, дослідники також зафіксували численні зміни, які не спрацювали. У KTH зазначають, що така база даних успішних і неуспішних мутацій може стати орієнтиром для подальшого проєктування ферментів і допомогти вдосконалювати комп’ютерні моделі, які прогнозують реакцію Rubisco на генетичні зміни.
Чому Rubisco вважають «вузьким місцем»
Rubisco відіграє ключову роль у фотосинтезі: за наявності енергії світла він захоплює CO2 і вбудовує його в сполуки, з яких організм формує цукри та нарощує біомасу. Водночас фермент працює повільно і може зв’язувати кисень замість CO2. У рослин це призводить до витрат енергії на переробку небажаних продуктів реакції.
У KTH пояснюють, що деякі бактеріальні Rubisco форми II здатні переробляти CO2 швидше, ніж рослинний фермент, але водночас легше каталізують реакцію з киснем — тобто є менш вибірковими до CO2.
«Але вони також каталізують реакцію оксигенації охочіше, тобто є менш селективними до вуглекислого газу. Наша ідея полягала в тому, щоб узяти ці швидкі Rubisco і зробити їх ще швидшими або принаймні знизити швидкість оксигенації, зберігши високу швидкість карбоксилювання», — зазначив Пол Гадсон.
Як проводили відбір і що показали результати
Для роботи команда використала спеціально розроблену платформу високопродуктивного скринінгу: кожен варіант ферменту мав коротку ДНК-мітку, що дозволяло одночасно відстежувати ефективність тисяч кандидатів, зокрема клітин з одиничними та комбінованими мутаціями. За словами Гадсона, цей підхід потенційно можна адаптувати й для інших метаболічних ферментів.
Серед результатів дослідники виділяють два провідні варіанти, які менше реагували з киснем, зберігаючи корисний рівень перетворення CO2. Водночас обидва варіанти мали компроміси щодо загальної ефективності роботи з CO2. Також у дослідженні зазначено, що «корисні» мутації часто переставали працювати при поєднанні між собою.
Перевірка комп’ютерних моделей і наступні кроки
Окремо команда оцінила кілька комп’ютерних моделей, які мають прогнозувати вплив мутацій на Rubisco. За підсумками, моделі виявилися надійнішими для одиничних мутацій, ніж для їхніх комбінацій.
«Це показує, що ефекти мутацій Rubisco є складними й їх важко передбачити без великого обсягу експериментальних даних», — йдеться в повідомленні.
Подальша робота, за даними KTH, буде зосереджена на додатковому зниженні «кисневої» реакції у перспективних варіантах і на з’ясуванні, які структурні елементи ферменту допомагають йому обирати CO2 замість O2. Також дослідники тестують нові ферменти в рослинних клітинах і в ціанобактеріях, що продукують корисні хімічні сполуки, у межах проєкту, профінансованого ЄС.
Для агросектору такі дослідження важливі насамперед як фундамент для майбутніх підходів до підвищення ефективності фотосинтезу. Водночас у KTH підкреслюють: перехід від бактеріальних систем до практичних рішень для культурних рослин потребуватиме додаткових випробувань у рослинних клітинах і на рівні цілих рослин.