Бактерии E. coli предлагают путь к улучшению фотосинтеза

Ученые Корнельского университета разработали ключевой растительный фермент и внедрили его в бактерии Escherichia coli, чтобы создать оптимальную экспериментальную среду для изучения способов ускорения фотосинтеза, святого Грааля для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Метод описан в статье «Малые субъединицы могут определять кинетику ферментов табака Rubisco, экспрессируемых в Escherichia coli», опубликованной в журнале Nature Plants .

Ученые знали, что урожайность повысится, если они смогут ускорить процесс фотосинтеза, когда растения превращают углекислый газ (CO ₂ ), воду и свет в кислород и, в конечном итоге, в сахарозу, сахар, используемый для получения энергии и создания новой ткани растений.

Исследователи сосредоточили внимание на рубиско, медленном ферменте, который извлекает (или фиксирует) углерод из углекислого газа для создания сахарозы. Наряду с CO ₂ Rubisco иногда катализирует реакцию с кислородом из воздуха, и когда это происходит, он создает токсичный побочный продукт и тратит энергию, тем самым делая фотосинтез неэффективным.

«Вы бы хотели, чтобы Рубиско не взаимодействовал с кислородом, а также работал быстрее», — сказала Морин Хэнсон, профессор молекулярной биологии растений в Корнелле.

Пытаясь достичь этого, исследователи взяли рубиско из табачных растений и преобразовали его в кишечную палочку . Табак используется как обычное модельное растение в исследованиях. «Теперь мы можем произвести мутации, чтобы попытаться улучшить фермент, а затем протестировать его на E. coli» , — сказал Хэнсон.

Преимущество заключается в том, что, поскольку бактерии размножаются очень быстро, исследователи могут протестировать измененный Rubisco на E. coli и получить результаты на следующий день. «Если вы вводите новый Rubisco в растение, вам придется подождать несколько месяцев», — сказала она.

Первоначальная работа другой группы по превращению табака Rubisco в E. coli привела к очень слабой экспрессии фермента. У растений Рубиско состоит из восьми больших и восьми малых субъединиц. Один ген кодирует каждую большую субъединицу, но многие гены кодируют каждую маленькую субъединицу. Сложный процесс сборки фермента и наличие нескольких версий фермента в растениях очень затруднили эксперименты с Rubisco.

Во главе с Мят Линь, научным сотрудником лаборатории Хансона и первым автором статьи, исследователи смогли разбить этот процесс и выявить один тип большой субъединицы и один тип маленькой субъединицы вместе в E. coli , чтобы понять свойства фермента. Делая это, они достигли экспрессии фермента в E. coli, которая соответствовала тому, что было обнаружено в растениях.

Они также обнаружили, что субъединица Rubisco, обнаруженная в трихомах (крошечные волоски на листьях растений), работает быстрее, чем любая из субъединиц, обнаруженных в клетках листьев.

«Теперь у нас есть возможность создать новые версии растения Rubisco в E. coli и выяснить, улучшились ли свойства фермента», — сказал Хэнсон. «Затем мы можем взять улучшенный фермент и поместить его в культурное растение».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Корнельским университетом . Оригинал написан Кришной Рамануджаном. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Мят Т. Лин, Уильям Д. Стоун, Вишалсинг Чаудхари, Морин Р. Хэнсон. Малые субъединицы могут определять кинетику ферментов табака Rubisco, экспрессируемых Escherichia coli . Природные растения , 2020; DOI: 10.1038 / s41477-020-00761-5