Комплекс белков Рубиско (рибулозобисфосфаткарбоксилаза) – ключевой фермент, который запускает все процессы фотосинтеза с помощью связывания атмосферного углекислого газа. Механизм его работы появился более 2,5 млрд 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, так как последнего в атмосфере почти не было, поэтому Рубиско был строго специфичен и связывал только молекулу СО2.
Но по мере повышения уровня кислорода в атмосфере выяснилось, что Рубиско способен связывать и молекулу О2, из-за чего даже современные фотосинтезирующие организмы сохранили способность к фотодыханию – процессу, обратному фотосинтезу. В подобном 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 ряде растений.
За последние 20–30 млн лет уровень углекислого газа в атмосфере окончательно упал и не поднимался выше 300 частей на миллион вплоть до 1950-х годов. Фотосинтезирующие организмы приспособились к этим условиям и подстроили параметры и структуру фермента Рубиско необходимым образом. Теперь же, когда менее чем за 100 лет деятельность человека повысила уровень углекислого газа до 420 частей на миллион (и продолжает это делать), у ученых появилась идея адаптации растений к новым условиям для повышения их урожайности при помощи 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. Анализ помог предсказать структуру предкового фермента Рубиско, который, возможно, работал в фотосинтезирующих организмах 20–50 млн лет назад, когда уровень углекислого газа в атмосфере мог доходить до 800 частей на миллион.
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.
