Растения развивались в течение миллионов лет в окружающей среде, которая резко изменилась за последние 150 лет с момента начала промышленной революции: уровень углекислого газа увеличился на 50 процентов, а средняя глобальная температура увеличилась почти на 2 градуса по Фаренгейту. В то время как естественная адаптация была не в состоянии поспевать за ней, ученые разработали инструменты для моделирования миллионов лет эволюции за несколько дней, чтобы помочь растениям адаптироваться.
В новом исследовании, опубликованном в Journal of Biological Chemistry, исследователи сообщают о новой стратегии скрининга, которая позволила им впервые идентифицировать гораздо более эффективную форму фермента Rubisco, который катализирует первую стадию биохимии. фиксация углекислого газа на пути к созданию растительной биомассы в процессе фотосинтеза.
Хотя Rubisco является самым распространенным и, возможно, самым важным ферментом на нашем растении, Rubisco, возможно, не был лучшим моментом эволюции. Rubisco эволюционировал, когда в атмосфере отсутствовал кислород, и в результате он не был вынужден учиться чтобы различать молекулы углекислого газа, поддерживающие жизнь, и молекулы кислорода, которые создают токсичное соединение, которое требует энергии для переработки растений», - сказал Дон Орт, заместитель директора по реализации повышения эффективности фотосинтеза (RIPE), который поддержал эту работу. Орт - физиолог отдела исследований фотосинтеза Министерства сельского хозяйства США/ARS и профессор Роберта Эмерсона в области биологии растений и растениеводства в Институте геномной биологии имени Карла Р. Вёзе при Университете Иллинойса.
"Мы показали, что можем улучшить эффективность Rubisco, его способность отличать углекислый газ от кислорода - это настоящая шумиха", - сказал ведущий автор Спенсер Уитни, доцент Австралийского национального университета.«Наш Rubisco быстрее и имеет более высокое сродство к углекислому газу. Раньше это определение занимало около двух недель, но наша новая система скрининга сократила это время более чем вдвое».
Используя направленную эволюцию, часто описываемую как эволюция в пробирке, команда протестировала 250 000 мутантов Rubisco из цианобактерий в бактериях E. coli, сконструированных таким образом, чтобы их выживание зависело от эффективности фермента. «Искать ответы на вопросы о том, как улучшить Rubisco, - все равно, что искать иголку в стоге сена», - сказал Уитни. «Прелесть этой системы в том, что она позволяет нам избавиться от всех этих кусков сена».
Восемнадцать мутантов Rubisco пережили скрининг, одиннадцать из которых оказались гораздо более эффективными в фиксации углекислого газа. Они обнаружили, что эти мутации локализованы в специфической, ранее неизученной области цианобактериального Rubisco. Теперь они надеются внести аналогичные изменения, чтобы улучшить Rubisco в сельскохозяйственных культурах и увеличить их рост и урожайность.