Едно голямо постижение на генното инженерство опрости сложна, енергийно скъпа операция, която повечето растения трябва да изпълняват по време на процеса фотосинтеза. Това опростяване и ускоряване на ключови стъпки във фотосинтезата позволява да се произвеждат растения с повишена продуктивност, съобщава Science News.
По време на полеви тестове, генетично модифицираният по този начин тютюн увеличи растежа му с над 40%. Ако се стигне до подобни резултати при други култури, това би могло да помогне да се посрещнат нуждите от храна на нарастващото население в световен мащаб, пишат учените от Университета на Илинойс в Ърбана-Шапейн в статията си, публикувана в списание Science, цитирано от Оф Нюз.
Фотосинтезата е поредица от реакции, които се извършват от растенията, цианобактериите и някои други организми, по време на които енергията на слънчевата светлина се използва за синтезиране на органични молекули от вода и въглероден диоксид.
Първата стъпка на този процес е фиксацията на атмосферния CO2 , която се извършва от ензима рибулозобисфосфаткарбоксилаза (РуБисКО). Неговата основна задача е да помогне за превръщането на въглеродния диоксид от атмосферата в захари, които подхранват растежа на растенията.
РуБисКО е широко разпространен, съставя до 30% в листата на растенията, но не особено ефективен, защото често „прави грешки” и вместо CO2 случайно хваща O2. Тази реакция дава началото на биохимичен път, наречен фотодишане, който е неефективен, защото води до загуба на вече фиксиран въглерод под формата на CO2.
Фотодишането води до намаляване на продуктивността на растенията. А тези грешки на РуБисКО, които се случват през около 20% от времето, генерират токсичното съединение гликолат, което растението трябва да рециклира в полезни молекули чрез фотодишането. Това разхищаване на енергия може да намали добивите от 20 до 50% в зависимост от вида на растенията и условията на околната среда.
Сега изследователите описват експерименти, които да заменят естествените начини за използване на вторичните продукти от реакцията на РуБисКО с кислорода с нови, по-ефективни.
Обикновено са нужни девет реакции, но използвайки генно инженерство, изследователите от новото проучване проектират по-директен химически път за фотодишането.
Авторите на новото изследване успяват да вместят процеса само в две стъпки, като използват ензими, чиито гени са взети от тиква и едноклетъчни водорасли и превръщат фосфогликолата в ябълчна киселина, която лесно се използва от растителните клетки.
Новата система за използване на фосфогликолата е въведена в тютюневия геном. Растенията се отглеждат в оранжерия и учените наблюдават тяхната производителност. Резултатите показват, че новият, двуетапен път за усъвършенстване на фотосинтезата позволява повишаване на производителността средно с 25%, а в някои случаи и с 40%.
Бъдещи експерименти с други различни видове растения ще покажат дали тази фиксация на фотодишането ще създаде същата, както при тютюна, ефективност при други култури. Екипът в момента провежда оранжерийни експерименти с картофи с новия набор от генетични модификации и планира да направи подобни тестове със соя, грах и ориз.
Вероятно ще са нужни поне още пет до десет години, докато тези генетични модификации бъдат одобрени за употреба в земеделските стопанства.
Интересно е защо в процеса на еволюцията не са изчезнали “грешките” на РуБисКО?
Сравнителният анализ на ензима в различни организми показва, че РуБисКО е съществувал преди 3,5 милиарда години, когато в атмосферата имало малко кислород и по това време той е заел ключова позиция в цикъла на усвояване на въглерода при фотосинтезата. В същото време функцията на оксигеназа в условията на ниско съдържание на кислород не играе съществена роля. С увеличаването на съдържанието на кислород, загубата на асимилирания въглерод в резултат на фотодишането се увеличава, но сложността на структурата на РуБисКО очевидно възпрепятства еволюцията на каталитичния център да елиминира оксигеназната активност. Тази хипотеза косвено се потвърждава от липсата на значителен успех досега в опитите да се увеличи афинитета на РуБисКО към въглеродния диоксид чрез генно инженерство
