Международная группа ученых из Института Бойса Томпсона, Корнеллского университета и Эдинбургского университета обнаружила уникальную молекулярную стратегию, которую используют антоцеротовые мхи для оптимизации фотосинтеза. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, могут стать основой для генетической модификации таких культур, как пшеница и рис, с целью повышения их продуктивности.
В центре внимания биологов оказался фермент Рубиско, отвечающий за поглощение углекислого газа из атмосферы. Несмотря на ключевую роль в поддержании жизни на планете, Рубиско считается крайне неэффективным. Он работает медленно и часто вступает в реакцию с кислородом вместо углекислого газа, что ведет к потере энергии и существенному замедлению роста растений.
Некоторые организмы в ходе эволюции нашли способ справиться с этой проблемой. Водоросли, к примеру, собирают Рубиско внутри микроскопических структур – пиреноидов, где поддерживается высокая концентрация углекислого газа. Долгое время исследователи пытались внедрить аналогичную систему в наземные злаки, однако механизмы водорослей оказались слишком сложными для прямого переноса в клетки высших растений.
Антоцеротовые мхи стали объектом изучения, так как это единственная группа наземных растений, обладающая структурами, подобными пиреноидам. Ученые ожидали найти специфический белок, который связывает молекулы фермента, как это происходит у водорослей. Вместо этого они обнаружили, что мхи изменили структуру самого Рубиско, сделав его способным к самосборке.
За этот процесс отвечает белок RbcS-STAR. Один из его компонентов имеет дополнительный сегмент, который ученые назвали STAR. Этот участок работает по принципу молекулярной липучки, заставляя молекулы Рубиско притягиваться друг к другу и формировать плотные кластеры. Биологи успешно протестировали этот механизм на лабораторном растении арабидопсис. Выяснилось, что добавление сегмента STAR заставляет ферменты группироваться даже у тех видов, которым это не свойственно от природы.
Авторы работы подчеркивают, что обнаруженный механизм является универсальным инструментом, пригодным для внедрения в различные растительные системы. Однако для создания сверхурожайных сортов недостаточно просто собрать Рубиско в кластеры. Ученым еще предстоит разработать систему эффективной транспортировки углекислого газа к этим «хранилищам», чтобы обеспечить максимальную скорость фотосинтеза.
Повышение эффективности переработки углекислого газа считается одной из приоритетных задач современной науки. Даже незначительный прогресс в этой области позволит существенно увеличить мировые запасы продовольствия. В условиях глобального роста населения и необходимости перехода к устойчивому земледелию подобные биологические решения могут сыграть решающую роль в обеспечении мировой продовольственной безопасности.