Прискорення фотосинтезу заради виживання

Чи можемо ми прискорити головну реакцію біосфери

Чи можливо зробити фотосинтез трішки більш ефективним? Небачена врожайність і приріст біомаси культурних рослин, вирішення продовольчої кризи і полегшення виробництва біопалива — від перспектив захоплює дух. Нещодавно молекулярні біологи зробили черговий крок у цьому нелегкому, але настільки привабливому шляху.

Гігантські секвої і пасажири московського метро, коники на лузі і невидимі оку амеби в квітучій калюжі — як би не виглядав земний організм, енергія, яку він використовує, має одне першоджерело — сонячне світло. Кванти електромагнітного випромінювання, що падають на Землю, розкручують колесо біохімічних перетворень, що запускають грандіозну машинерію біосфери на нашій планеті.



З цього правила є, звичайно, рідкісні винятки, наприклад бідні і дивакуваті на вигляд екосистеми, побудовані еволюцією навколо геотермальних гарячих джерел, – дивні співтовариства, які живуть, наприклад, поруч з чорними курцями. Місцеві бактерії і археї навчилися синтезувати органічну речовину за рахунок окислювально-відновних реакцій, в прямому сенсі осідлавши гарячі струмені мінеральних розчинів, що б’ють з-під тонкої океанічної кори. Але якщо закрити очі на кілька винятків, то біосферу можна порівняти з водяним млином, тільки роль потоку води на себе тут бере сонячне світло.

Для того щоб засвоювати променисту енергію Сонця, живі системи винайшли фотосинтез — цілий комплекс найскладніших реакцій. Їхня суть дуже проста: за допомогою енергії світла організм відриває електрони від якоїсь зручної для нього молекули і переносить їх на молекули вуглекислого газу, відновлюючи їх і перетворюючи в молекули органічної речовини, які потім можна буде знову окислити, отримавши енергію. Особливо досягли успіху в цьому мистецтві істоти, які обрали в якості джерела електронів молекули води. Воно й не дивно: в середньому воду на Землі знайти набагато простіше, ніж який-небудь сірководень. Саме цей тип фотосинтезу вибрали предки сьогоднішніх рослин, і з тих пір, в взагалі-то, життя тут і закрутилося.

Центральний вузол

Вся система реакцій фотосинтезу рослин (а також значної частини бактерій) укладається в одну схему:

6СО2 + 6H2O = глюкоза (С6H12О6) + 6О2

Одна з ключових стадій цього складного і багатоступеневого процесу — зв’язування вуглекислого газу. При цьому вуглекислий газ приєднується до з’єднання, званого страшним словом Рибулоза (1,5) біфосфат, — це цукор з двома фосфатними групами. І тут ми підбираємося до героя нашого сьогоднішнього оповідання. Скеровує цю реакцію фермент — затримайте дихання — рибулозобісфосфаткарбоксилаза, або Рубіско (RuBisCO).

RuBisCO

Цифрова модель ферменту RuBisCO

Рубіско — фермент у всіх сенсах видатний. У зібраному вигляді він являє собою абсолютно монструозний, з точки зору ензимолога, комплекс з 16 (!) білкових ланцюгів. Але великий — не означає ефективний, і Рубіско тому приклад.

Більшість ферментів каталізують тисячі хімічних перетворень кожну секунду. Рубіско ж неквапливий — кожну секунду цей незграба обробляє лише від 3 до 10 молекул вуглекислого газу, в залежності від умов. Зрозуміло, що таку низьку якість роботи ферменту можна компенсувати лише його кількістю, і тому хлоропласти під зав’язку забиті цим білком: по масі на нього припадає до 30% всіх водорозчинних білків рослин, що робить його найбільш поширеним білком на планеті.

Але і це не все. Дивовижно великий і нерозторопний фермент ще і вкрай нерозбірливий і частенько плутає вуглекислий газ з киснем. І тоді замість приєднання атома вуглецю до фосфорильованого цукру з нарощуванням його вуглецевого ланцюга він просто окислює цей цукор (рибулоза- (1,5) -біфосфат), даремно спалюючи цінні молекули вуглеводу! В результаті цього процесу, званого фотодиханням, частина енергії, яка запаслася під час фотосинтезу, просто відлітає в смітник, причому втрати ККД іноді досягають аж 25%, тобто кожен четвертий вуглець, пов’язаний з СО2 при фотосинтезі, потім знову окислюється через фотодихання.

Особливо драматично ефект проявляється при високій температурі, так що деяким рослинам довелося навіть оптимізувати будову свого листя і включити в фотосинтез додаткові реакції, покликані підняти в хлоропластах концентрацію вуглекислого газу і знизити концентрацію кисню, тим самим збільшивши ефективність неповороткого ферменту. Виходить, що робота Рубіско стає лімітуючою стадією, вузьким місцем усього фотосинтезу. Можливо, має сенс спробувати прискорити цей нерозторопний фермент?

Як втекти від Мальтуса

Всупереч всім недолікам головного ферменту біосфери, рослини навколо нас продовжують активно рости. Але, на жаль, не так швидко, як нам би хотілося. А ось населення нашої планети, навпаки, зростає випереджаючими темпами. Це не було б настільки великою проблемою, якби ми могли збільшувати виробництво продуктів харчування такими ж широкими кроками. Але в цьому і складність.

Ми освоїли десь третину придатних для сільського господарства земель. Практично всі придатні для цього території Південної Азії, на Близькому Сході і Північній Америці вже розорані, а освоєння решти районів загрожує нам ерозією та іншими екологічними проблемами. Наша планета не така вже й велика — не так далекий той момент, коли людство підійде до межі її «продовольчої ємності». Подальше зростання чисельності зажене нас в типову мальтузіанську пастку, в якій згинуло вже не одне суспільство минулого. Якщо тільки ми в черговий раз не зробимо революцію в сільському господарстві, різко піднявши врожайність. Хороші новини в тому, що нам неодноразово вже вдавалося відстрочити катастрофу, що насувається таким чином.

Останній раз це відбулося завдяки «зеленій революції» 50-70-х років минулого століття. Тоді виведення нових високоврожайних сортів злаків, впровадження пестицидів і просунутих систем іригації дозволило різко — майже в два рази — збільшити врожайність, давши перепочинок кільком поколінням. Однак хмари знову починають згущуватися. У своєму свіжому звіті Комітет з їжі і сільського господарства ООН змушений був визнати, що проблема голоду знову погіршилася, а кількість страждаючих від недоїдання в світі перевищила 820 млн осіб.

Звичайно, голод — це комплексна проблема, пов’язана не тільки з недостатнім виробництвом сільськогосподарської продукції, а й з проблемами її розподілу. У той же час зрозуміло, що якщо нам не вдасться зупинити зростання населення Землі, то жоден раціональний розподіл продукції вже не допоможе — нам доведеться зробити ще один якісний стрибок в технологіях виробництва їжі. Що якщо саме підвищення ефективності фотосинтезу допоможе нам зробити наступний переворот в сільському господарстві?

Турбоприскорення Рубіско

Отже, вузьке місце фотосинтезу виникає через Рубіско. Так чому б нам не прискорити настільки важливий і настільки безтолковий фермент? Про це, власне, вже подумали біотехнологи і вирушили експериментувати.

На жаль, їхнім мріям не судилося здійснитися. Рубіско наполегливо противився будь-яким спробам поліпшення. Спрямований мутагенез окремих амінокислотних залишків не привів до яких-небудь помітних результатів. Паралельно дослідники не раз застосовували до Рубіско метод прямої еволюції ферментів — той самий, що вже нав’яз у всіх в зубах через останню «нобелівку» з хімії. При цьому шляхом внесення випадкових мутацій створювалася величезна колекція генних варіантів Рубіско. В якості носія усього цього розмаїття виступала улюблена домашня тварина молекулярних біологів — кишкова паличка Escherichia coli. При використанні такого підходу дослідникам вдалося збільшити активність Рубіско ціанобактерій, відмінно працюючого в клітинах кишкової палички.

З Рубіско рослин все виявилося не в приклад складніше. В бактеріях він працювати вперто не хотів. Додаткові, хоча і вирішувані, складності створює те, що цей фермент збирається з деталей двох різних «виробників»: гени, що кодують ланцюги Рубіско, знаходяться не тільки в ядрі клітин, але і в геномі хлоропластів, що ускладнює маніпуляції з ними. Дослідникам доводиться працювати відразу з двома геномами, застосовуючи різні техніки генної модифікації.



У той же час вченим вдалося розібратися, які амінокислотні заміни (мутації) прискорюють роботу ферменту, але їх внесення призводить одночасно до того, що він стає ще більш нерозбірливий, хапаючись за кисень замість вуглекислого газу, а значить, до посилення небажаного для нас фотодихання. Взагалі, частина дослідників виступають за те, що, незважаючи на весь наш скептицизм щодо недолугого ферменту, Рубіско вже близький до досконалості з точки зору балансу продуктивності і специфічності і наші криві руки навряд чи зроблять його принципово кращим. Але деякі їхні колеги по цеху продовжують зберігати оптимізм.

Еволюційна історія Рубіско почалася на зорі фотосинтезу — 3,5 мільярда років тому. У ті давні часи атмосфера Землі майже цілком складалася з вуглекислого газу. Вже сама поява оксигенного фотосинтезу у древніх ціанобактерій і їх нащадків, хлоропластів рослин, призвела до повільного накопичення кисню в атмосфері за наступні мільярди років. Тому не дивно, що для прадідуся сучасного Рубіско низька субстратна специфічність ніяких помітних проблем не створювала. Що ж, дуже може бути, що цей спадковий порок нам все ж коли-небудь вдасться виправити.

Як ми пам’ятаємо, листя рослин буквально забиті Рубіско. Значить, його кількість дійсно значима для ефективності фотосинтезу. Чому б не спробувати збільшити його вміст у листі генно-інженерними методами? Цим шляхом і пішли автори зовсім свіжої публікації в Nature Plants. Треба сказати, що попередня спроба цієї наукової групи збільшити виробництво найважливішого ферменту генно-інженерним шляхом не принесла очікуваних результатів. Однієї лише надекспресії генів Рубіско не вистачало — судячи по-всьому, для збірки примхливого ферменту не вистачало чогось ще …

За минулі роки з’ясувалося, що в збірці Рубіско (згадаємо, наскільки складним білком він є) бере участь відразу декілька білків-укладальників — RAF1 і RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Подібні білки-укладальники (їх називають шаперони), як правило, стабілізують ланцюг білка, що збирається в процесі складання, даючи йому час згорнутися правильним чином. У цьому-то і була проблема попередніх робіт: гени Рубіско дійсно активно синтезували білкові «цеглинки» ферменту, але нестача шаперонів не дозволяла збирати достатню кількість Рубіско з поліпептидних ланцюгів-напівфабрикатів. Кількість шаперонів теж потрібно було збільшувати! У черговому підході до проблеми впертого ферменту дослідники поєднали надекспресію двох генів субодиниць Рубіско із надекспресією шаперона RAF1, що призвело до категоричного успіху виробництва: загальний вміст Рубіско в листі трансгенної кукурудзи зріс на 30%. Вкрай цікаво також те, що, незважаючи на зростання абсолютної кількості Рубіско в листі, частка активного ферменту знизилася через механізми зворотного зв’язку, які «гасять» активність ферменту при його надлишку.

Через це зовсім не весь додатковий фермент виявився залучений в процес фотосинтезу. Однак попри все підсумкова фіксація вуглекислого газу все-одно виросла, але на скромні 15%, і головне, це помітно прискорило ріст ГМ-кукурудзи.

ГМ-кукурудза

(WT): «чиста» кукурудза,
(SS) кукурудза, у якій «розігнана» експресія малої субодиниці Рубіско,
(RAF1) кукурудза з посиленням експресії шаперона,
(LSSS) надекспресія і малої, і великої субодиниці Рубіско.

Як можна помітити, надекспресія всіх складових дає найбільше прискорення росту саджанця. Джерело: Nature Plants

Беручись за поліпшення будь-якого ферменту або білка, ми до певної міри тикаємо пальцем навмання в неідеальну, але цілком працюючу систему. Іноді у нас виходить зробити її кращою. Але найчастіше наші спроби провалюються, як це раз за разом відбувається з Рубіско.

Заповітна мрія біоінженерів — розібратися в божевільній багатовимірній павутині взаємодій генів і обумовлених ними ознак. Кожен білок і його ген — гармонійний елемент складноз’єднаної системи, що включає тисячі інших генів і білків і безліч регуляторних каскадів. Точкові зміни структури ферменту або активності гена можуть зводитися нанівець іншими компонентами системи, про які ми можемо просто не знати, чи взагалі призводити до зворотного результату через яку-небудь хитру петлю зворотного зв’язку.

Розуміння всіх цих заплутаних зв’язків зробило б з сучасних вчених справжніх біоінженерів, дозволивши їм перепроектувати організми під свої потреби. Безсумнівно, ми вже живемо в епоху біотехнологій, але, незважаючи на це, генна інженерія все ще залишається дуже непростою справою з негарантованими шансами на успіх. Особливо, коли це стосується таких амбітних завдань, як прискорення фотосинтезу. Але, як ми бачимо, перші зрушення в цій справі вже є. Так що цілком можливо, що ми стоїмо перед порогом чергової «зеленої революції».

Джерело: https://chrdk.ru

Залишити відповідь