Учёные, работающие с ферментами растений, нашли способ ускорить фотосинтез и выращивать сверхэффективные сельскохозяйственные культуры, которые смогут давать огромные урожаи. Это удалось достичь заменой одного из ферментов растения на аналогичный фермент сине-зелёной водоросли.
Объёмы производства сельхозпродукции на планете ограничиваются эффективностью фотосинтеза — происходящего под воздействием солнечного света химического процесса, в котором вода и углекислый газ преобразуются в кислород и питательные вещества. Один из этапов фотосинтеза проходит при участии фермента рибулозобисфосфаткарбоксилазы. Однако в растениях он работает неэффективно. Это компенсируется его высоким содержанием: рибулозобисфосфаткарбоксилаза считается самым распространённым ферментом на планете.
Сине-зелёные водоросли, или цианобактерии, тоже обладают способностью к фотосинтезу и при этом содержат более эффективную форму рибулозобисфосфаткарбоксилазы. Однако попытки подменить процесс преобразования углекислого газа в растениях на аналогичный процесс, проходящий в цианобактериях, до сих пор оставались безуспешными.
Морин Хэнсон (Maureen Hanson) из Корнелльского университета, штат Нью-Йорк, США, вместе с коллегами добилась успешного размножения побегов табака (Nicotiana tabacum), в которых была внедрена рибулозобисфосфаткарбоксилаза из цианобактерии синекокка (Synechococcus elongatus). Заменив в табаке ген фермента, усваивающего углекислый газ, на два гена его разновидности для синекокка, учёные добились успешного фотосинтеза и более высокой скорости обмена углекислоты, чем у немодифицированного табака.
Исследователям пришлось не просто заменить гены, синтезирующие фермент. Также были сделаны ещё несколько замен в генетическом коде, добавляющие белки, которые участвуют в производстве фермента. Наиболее важной задачей было воспрепятствовать течению расточительных побочных реакций: рибулозобисфосфаткарбоксилаза стремится реагировать с кислородом вместо углекислого газа, что приводит к большим тратам энергии. В выращенном табаке фермент менее активен с кислородом за счёт меньшей скорости усваивания углекислоты.
В цианобактериях рибулозобисфосфаткарбоксилаза намного более активно соединяется с кислородом, и чтобы справиться с этим, бактерия помещает фермент в особые микрокомпартменты, называемые карбоксисомами, которые не пропускают кислород и концентрируют углекислый газ. Ранее учёные добавляли гены цианобактерии в табак для создания карбоксисом в клетках растения. Теперь учёные работают над объединением генов фермента цианобактерии с генами карбоксисом табачного хлоропласта — органеллы, в которой и происходит фотосинтез.