Можем ли мы ускорить главную реакцию биосферы?

Узнаем можно ли сделать фотосинтез более эффективным? Ведь это может решить продовольственный кризис и улучшить производство биотоплива.

Возможно ли сделать фотосинтез чуть более эффективным? Невиданная урожайность и прирост биомассы культурных растений, решение продовольственного кризиса и облегчение производства биотоплива — от перспектив захватывает дух. Недавно молекулярные биологи сделали очередной шаг по этому нелегкому, но столь заманчивому пути.

КПД фотосинтеза

• Центральный узел
• Как убежать от Мальтуса
• Турбоускорение Рубиско

Гигантские секвойи и пассажиры московского метро, кузнечики на лугу и невидимые глазу амебы в цветущей луже — как бы ни выглядел земной организм, энергия, которую он использует, имеет один первоисточник — солнечный свет. Кванты электромагнитного излучения, падающие на Землю, раскручивают колесо биохимических превращений, запускающих грандиозную машинерию биосферы на нашей планете.

Из этого правила есть, конечно, редкие исключения, например бедные и чудаковатые на вид экосистемы, построенные эволюцией вокруг геотермальных горячих источников, — странные сообщества, живущие, например, рядом с черными курильщиками.

Местные бактерии и археи научились синтезировать органическое вещество за счет окислительно-восстановительных реакций, в прямом смысле оседлав горячие струи минеральных растворов, бьющие из-под тонкой океанической коры. Но если закрыть глаза на несколько исключений, то биосферу можно сравнить с водяной мельницей, только роль потока воды на себя здесь берет солнечный свет.

Для того чтобы усваивать лучистую энергию Солнца, живые системы изобрели фотосинтез — целый комплекс сложнейших реакций. Их суть очень проста: с помощью энергии света организм отрывает электроны от какой-нибудь удобной для него молекулы и переносит их на молекулы углекислого газа, восстанавливая их и превращая в молекулы органического вещества, которое потом можно будет опять окислить, получив энергию.

Особо преуспели в этом искусстве существа, выбравшие в качестве источника электронов молекулы воды. Оно и не мудрено: в среднем воду на Земле найти гораздо проще, чем какой-нибудь сероводород. Именно этот тип фотосинтеза выбрали предки сегодняшних растений, и с тех пор, в общем-то, жизнь здесь и завертелась.

Центральный узел

Вся система реакций фотосинтеза растений (а также изрядной части бактерий) укладывается в одну схему:

6СО2 + 6H2O = глюкоза (С6H12О6) + 6О2

Одна из ключевых стадий этого сложного и многоступенчатого процесса — связывание углекислого газа. При этом углекислый газ присоединяется к соединению, называемому страшным словом рибулоза(1,5)бифосфат, — это сахар с двумя фосфатными группами. И тут мы подбираемся к герою нашего сегодняшнего повествования. Направляет эту реакцию фермент — задержите дыхание — рибулозобисфосфаткарбоксилаза, или Рубиско (RuBisCO).

Цифровая модель фермента RuBisCO

Рубиско — фермент во всех смыслах выдающийся. В собранном виде он представляет собой абсолютно монструозный, с точки зрения энзимолога, комплекс из 16 (!) белковых цепей. Но большой — не значит эффективный, и Рубиско тому пример.

Большинство ферментов катализируют тысячи химических превращений каждую секунду. Рубиско же нетороплив — каждую секунду этот увалень обрабатывает лишь от 3 до 10 молекул углекислого газа, в зависимости от условий. Понятно, что такое низкое качество работы фермента можно компенсировать лишь его количеством, и потому хлоропласты под завязку забиты этим белком: по массе на него приходится до 30% всех водорастворимых белков растений, что делает его самым распространенным белком на планете.

Но и это не все. Чудовищно большой и нерасторопный фермент еще и крайне неразборчив и частенько путает углекислый газ с кислородом. И тогда вместо присоединения атома углерода к фосфорилированному сахару с наращиванием его углеродной цепи он просто окисляет этот сахар (рибулоза-(1,5)-бифосфат), попусту сжигая ценные молекулы углевода!

В результате этого процесса, называемого фотодыханием, часть энергии, запасенной во время фотосинтеза, просто улетает в помойку, причем потери КПД иногда достигают аж 25%, т.е. каждый четвертый углерод, связанный из СО2 при фотосинтезе, затем опять окисляется из-за фотодыхания.

Особенно драматично эффект проявляется при высокой температуре, так что некоторым растениям пришлось даже оптимизировать строение своих листьев и включить в фотосинтез дополнительные реакции, призванные поднять в хлоропластах концентрацию углекислого газа и снизить концентрацию кислорода, тем самым увеличив эффективность неповоротливого фермента. Получается, что работа Рубиско становится лимитирующей стадией, узким местом всего фотосинтеза. Возможно, имеет смысл попытаться ускорить этот нерасторопный фермент?

Как убежать от Мальтуса

Вопреки всем недостаткам главного фермента биосферы растения вокруг нас продолжают активно расти. Но, к сожалению, не так быстро, как нам бы хотелось. А вот население нашей планеты, наоборот, растет опережающими темпами. Это не было бы столь большой проблемой, если бы мы могли увеличивать производство продуктов питания такими же широкими шагами. Но в этом и сложность.

Мы освоили где-то треть пригодных для сельского хозяйства земель. Практически все пригодные для этого территории Южной Азии, на Ближнем Востоке и Северной Америке уже распаханы, а освоение оставшихся районов грозит нам эрозией и прочими экологическими проблемами.

Наша планета не так уж и велика — не так далек тот момент, когда человечество подойдет к пределу ее «продовольственной емкости». Дальнейший рост численности загонит нас в типичную мальтузианскую ловушку, в которой сгинуло уже не одно общество прошлого. Если только мы в очередной раз не совершим революцию в сельском хозяйстве, резко подняв урожайность. Хорошие новости в том, что нам неоднократно уже удавалось отсрочить надвигающуюся катастрофу таким образом.

Последний раз это произошло благодаря «зеленой революции» 50—70-х годов прошлого века. Тогда выведение новых высокоурожайных сортов злаков, внедрение пестицидов и продвинутых систем ирригации позволило резко — почти в два раза — увеличить урожайность, дав передышку нескольким поколениям. Однако тучи снова начинают сгущаться. В своем свежем отчете Комитет по еде и сельскому хозяйству ООН вынужден был признать, что проблема голода снова усугубилась, а количество страдающих от недоедания в мире превысило 820 млн человек.

Конечно, голод — это комплексная проблема, связанная не только с недостаточным производством сельскохозяйственной продукции, но и с проблемами ее распределения. В то же время понятно, что если нам не удастся остановить рост населения Земли, то никакое рациональное распределение продукции уже не поможет — нам придется совершить еще один качественный скачок в технологиях производства пищи. Что если именно повышение эффективности фотосинтеза поможет нам произвести следующий переворот в сельском хозяйстве?

Турбоускорение Рубиско

Итак, узкое место фотосинтеза возникает из-за Рубиско. Так почему бы нам не ускорить столь важный и столь бестолковый фермент? Об этом, собственно, уже подумали биотехнологи и отправились экспериментировать.

К сожалению, их мечтам не было суждено осуществиться. Рубиско упорно противился любым попыткам улучшения. Направленный мутагенез отдельных аминокислотных остатков не привел к каким-либо заметным результатам. Параллельно исследователи не раз применяли к Рубиско метод прямой эволюции ферментов — тот самый, что уже навяз у всех в зубах из-за последней «нобелевки» по химии.

При этом методом внесения случайных мутаций создавалась огромная коллекция генных вариантов Рубиско. В качестве носителя всего этого разнообразия выступало любимое домашнее животное молекулярных биологов — кишечная палочка Escherichia coli. При использовании такого подхода исследователям удалось увеличить активность Рубиско цианобактерий, отлично работающей в клетках кишечной палочки.

С Рубиско растений все оказалось не в пример сложнее. В бактериях он работать упорно не хотел. Дополнительные, хотя и решаемые, сложности создает то, что этот фермент собирается из деталей двух разных «производителей»: гены, кодирующие цепи Рубиско, находятся не только в ядре клеток, но и в геноме хлоропластов, что усложняет манипуляции с ними. Исследователям приходится работать сразу с двумя геномами, применяя разные техники генной модификации.

В то же время ученым удалось разобраться, какие аминокислотные замены (мутации) ускоряют работу фермента, но их внесение приводит одновременно к тому, что он становится еще более неразборчив, хватаясь на кислород вместо углекислого газа, а значит, к усилению нежелательного для нас фотодыхания.

Вообще, часть исследователей выступают за то, что, несмотря на весь наш скептицизм в отношении непутевого фермента, Рубиско уже близок к совершенству с точки зрения баланса производительности и специфичности и наши кривые руки вряд ли сделают его принципиально лучше. Но некоторые их коллеги по цеху продолжают сохранять оптимизм.

Эволюционная история Рубиско началась на заре фотосинтеза — 3,5 миллиарда лет назад. В те незапамятные времена атмосфера Земли почти целиком состояла из углекислого газа. Уже само появление оксигенного фотосинтеза у древних цианобактерий и их потомков, хлоропластов растений, привело к медленному накоплению кислорода в атмосфере за следующие миллиарды лет.

Поэтому неудивительно, что для прадедушки современного Рубиско низкая субстратная специфичность никаких заметных проблем не создавала. Что же, очень может быть, что этот наследственный порок нам все же когда-нибудь удастся исправить.

Как мы помним, листья растений буквально забиты Рубиско. Значит, его количество действительно значимо для эффективности фотосинтеза. Почему бы не попробовать увеличить его содержание в листьях генно-инженерными методами? По этому пути и пошли авторы совсем свежей публикации в Nature Plants.

Надо сказать, что предыдущая попытка этой научной группы увеличить производство важнейшего фермента генно-инженерным путем не принесла ожидаемых результатов. Одной лишь сверхэкспрессии генов Рубиско не хватало — судя по-всему, для сборки капризного фермента не хватало чего-то еще…

За прошедшие годы выяснилось, что в сборке Рубиско (вспомним, насколько сложным белком он является) принимает участие сразу несколько белков-укладчиков — RAF1 и RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Подобные белки-укладчики (их называют шапероны), как правило, стабилизируют цепь собираемого белка во время сборки, давая ему время свернуться правильным образом.

В этом-то и была проблема предыдущих работ: гены Рубиско действительно активно синтезировали белковые «кирпичики» фермента, но нехватка шаперонов не позволяла собирать достаточное количество Рубиско из полипептидных цепей-полуфабрикатов. Количество шаперонов тоже нужно было увеличивать!

В очередном подходе к проблеме упрямого фермента исследователи совместили сверхэкспрессию двух генов субъединиц Рубиско со сверхэкспрессией шаперона RAF1, что привело к категорическому успеху предприятия: общее содержание Рубиско в листьях трансгенной кукурузы выросло на 30%. Крайне любопытно также то, что, несмотря на рост абсолютного количества Рубиско в листьях, доля активного фермента снизилась из-за механизмов обратной связи, «гасящих» активность фермента при его избытке.

Из-за этого совсем не весь дополнительный фермент оказался вовлечен в процесс фотосинтеза. Однако вопреки всему итоговая фиксация углекислого газа все-равно выросла, но на скромные 15%, и главное, это заметно ускорило рост ГМ-кукурузы.

• (WT): «чистая» кукуруза,
• (SS) кукуруза, у которой «разогнана» экспрессия малой субъединицы Рубиско,
• (RAF1) кукуруза с усилением экспрессии шаперона,
• (LSSS) сверхэкспрессия и малой, и большой субъединицы Рубиско.

Как можно заметить, сверхэкспрессия всех составляющих дает самое большое ускорение росту саженца.

Берясь за улучшение какого-либо фермента или белка, мы в известной степени тыкаем пальцем наугад в неидеальную, но вполне работающую систему. Иногда у нас получается сделать ее лучше. Но чаще всего наши попытки проваливаются, как это раз за разом происходит с Рубиско.

Заветная мечта биоинженеров — разобраться в безумной многомерной паутине взаимодействий генов и определяемых ими признаков. Каждый белок и его ген — гармоничный элемент сложносопряженной системы, включающей тысячи других генов и белков и множество регуляторных каскадов.

Точечные изменения структуры фермента или активности гена могут сводиться на нет другими компонентами системы, о которых мы можем просто не знать, или вообще приводить к обратному результату из-за какой-нибудь хитрой петли обратной связи. Понимание всех этих запутанных связей сделало бы из современных ученых истинных биоинженеров, позволив им перепроектировать организмы под свои нужды.

Несомненно, мы уже живем в эпоху биотехнологий, но, несмотря на это, генная инженерия все еще остается очень непростым делом с негарантированными шансами на успех. Особенно, когда это касается таких амбициозных задач, как ускорение фотосинтеза. Но, как мы видим, первые подвижки в этом деле уже есть. Так что очень может быть, что мы стоим перед порогом очередной «зеленой революции». опубликовано econet.ru  

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet