Новое исследование Университета штата Мичиган выявило у цианобактерий семейство генов, которые помогают контролировать фиксацию углекислого газа.
Открытие расширяет наши базовые знания о фотосинтезе. Это также открывает новые возможности для разработки систем устойчивого биотехнологического производства.
Исследование опубликовано в журнале New Phytologist.
Цианобактерии и растения имеют общий фермент, рубиско, который улавливает углекислый газ из атмосферы. Улавливание углерода - первая в серии реакций, превращающих углерод в высокоэнергетические молекулы, питающие организмы планеты.
В растениях действие рубиско часто блокируется небольшими молекулами, которые к нему прикрепляются. В ответ на помощь приходит белок Rubisco activase, удаляя нежелательные молекулы, чтобы rubisco снова мог работать.
Недавние достижения в области биоинформатики позволили лаборатории Шерил Керфельд идентифицировать ген цианобактерий, похожий на тот, который кодирует растительную рубиско-активазу.
Новый ген кодирует то, что лаборатория называет активазоподобным цианобактериальным белком, или ALC.
"Этот ген широко распространен во многих таксономических группах цианобактерий. К ним относятся различные одноклеточные и многоклеточные, нитевидные виды", - сказал Сигал Лехно-Йоссеф, доцент лаборатории Керфельда.
Функция цианобактериального ALC остается неизвестной. Ученые попытались смешать АЛК из модельной цианобактерии Fremyella diplosiphon с ингибированным рубиско из того же организма в пробирке. АЛК не освобождала рубиско от ингибирования малыми молекулами.
Однако в клетке белок физически близок к рубиско, как и его растительный аналог. Это одна из причин, по которой Лехно-Йосеф считает, что они могли бы работать вместе.
«У нас также есть биоинформационные данные, которые показывают, что ALC развивается вместе с rubisco у цианобактерий. Это открытие является еще одним подтверждением взаимодействия между этими двумя белками», - сказал Лехно-Йоссеф.
Итак, если ALC не разблокирует рубиско, что он делает?
«Мы видели, как ALC вызывает агрегацию белков rubisco», - сказал Лехно-Йоссеф. «Эта функция аналогична функции другого белка цианобактерий, который, как известно, способствует регуляции и локализации rubisco в клетке».
Есть также доказательства того, что ALC помогает своему хозяину определять уровни CO2, чтобы регулировать скорость фотосинтеза. Когда команда удалила ген ALC у лабораторной цианобактерии, организм не испытал резких изменений в своем росте.(У растений удаление аналогичной рубиско-активазы заставляет их голодать по углероду, важнейшему питательному веществу).
Однако те же штаммы претерпели морфологические изменения при выращивании в среде с высоким содержанием CO2.
Новое исследование имеет большие перспективы для области биотехнологий. У растений рубиско активаза находится в центре внимания многих исследований в рамках усилий по повышению эффективности рубиско. Улучшение рубиско приведет к получению растений с более высоким содержанием питательных веществ и более высокой урожайностью. Но пока такие усилия остаются без награды.
«Исследователи цианобактерий также хотят увеличить выход энергии из фотосинтеза», - сказал Лехно-Йоссеф. «Цель состоит в том, чтобы перепрограммировать фотосинтезирующую машину цианобактерий для производства соединений или материалов из возобновляемых источников энергии для использования в медицине или промышленности».
«Теперь, когда мы знаем, что у цианобактерий есть фермент, поддерживающий рубиско, мы могли бы попытаться создать более устойчивые цианобактерии для промышленного применения», - сказал Лехно-Йоссеф.