Ученые усилили фотосинтез, чтобы разработать суперрастения, «пожирающие» углерод
Ученые из Австралийского национального университета (ANU) и Университета Ньюкасла (UoN) открыли новую функцию фермента в цианобактериях, которая может привести к созданию более эффективных культур для захвата углерода. Это открытие может помочь в создании устойчивых к климатическим изменениям культур, способных более эффективно «всасывать» углекислый газ из атмосферы и производить при этом больше пищи.
Исследователи раскрыли механизм работы важнейшего фермента, описанного как «скрытый в природе», прояснив, как клетки контролируют ключевые процессы фиксации углерода, имеющие фундаментальное значение для жизни на Земле.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, демонстрирует ранее неизвестную функцию фермента под названием карбоксисомальная углеродная ангидраза (CsoSCA), который содержится в цианобактериях — также называемых сине-зелеными водорослями — и позволяет микроорганизмам максимально эффективно извлекать углекислый газ из атмосферы.
Цианобактерии широко известны своим токсичным цветением в озерах и реках. Однако эти маленькие сине-зеленые жучки широко распространены и обитают в Мировом океане. Хотя они могут представлять опасность для окружающей среды, исследователи называют их «крошечными углеродными супергероями». Благодаря процессу фотосинтеза они играют важную роль в поглощении около 12% мирового углекислого газа в год.
Цианобактерии — это группа фотосинтезирующих бактерий, которые часто называют «сине-зелеными водорослями», хотя они являются прокариотами, а не настоящими водорослями. Эти организмы встречаются в самых разных водных и наземных средах, от океанов до пресной воды и голых скал.
Цианобактерии известны своей способностью к кислородному фотосинтезу, то есть они производят кислород в качестве побочного продукта, подобно растениям. Этот процесс крайне важен для жизни на Земле, поскольку он вносит значительный вклад в производство кислорода в атмосфере.
Первый автор работы и доктор философии Саша Пулсфорд из ANU рассказывает, насколько эффективно эти микроорганизмы улавливают углерод.
«В отличие от растений, цианобактерии имеют систему, называемую механизмом концентрации углекислого газа (CCM), которая позволяет им фиксировать углерод из атмосферы и превращать его в сахара значительно быстрее, чем стандартные растения и виды сельскохозяйственных культур», — говорит он.
В основе ССМ лежат крупные белковые отсеки, называемые карбоксисомами. Эти структуры отвечают за связывание углекислого газа и содержат CsoSCA и другой фермент под названием Rubisco.
Ферменты CsoSCA и Rubisco работают вместе, демонстрируя высокоэффективную природу ССМ. CsoSCA создает внутри карбоксисомы высокую локальную концентрацию углекислого газа, который Rubisco может поглотить и превратить в сахара для питания клетки.
Ведущий автор исследования доктор Бен Лонг из Университета Южной Африки сказал: «До сих пор ученые не знали, как контролируется фермент CsoSCA. Наше исследование было направлено на разгадку этой тайны, особенно в основной группе цианобактерий, встречающихся по всему миру. То, что мы обнаружили, было совершенно неожиданно».
Фермент CsoSCA подчиняется другой молекуле, называемой RuBP, которая активирует его, как переключатель. «Представьте себе фотосинтез как приготовление сэндвича. Углекислый газ из воздуха — это начинка, но фотосинтезирующая клетка должна обеспечить хлеб. Это и есть RuBP. Как для приготовления сэндвича нужен хлеб, так и скорость превращения углекислого газа в сахара зависит от скорости поступления RuBP», — говорит один из исследователей.
Скорость подачи углекислого газа ферментом CsoSCA в Rubisco зависит от количества RuBP. Когда его достаточно, фермент включается. Но если в клетке заканчивается RuBP, фермент отключается, что делает систему высоконастроенной и эффективной.
«Удивительно, но фермент CsoSCA все это время был встроен в природный план и ждал, когда его откроют», — говорят исследователи. По их словам, создание культур, которые будут более эффективно улавливать и утилизировать углекислый газ, даст огромный толчок развитию сельскохозяйственной отрасли, значительно повысив урожайность и снизив потребность в азотных удобрениях и ирригационных системах.
Это также позволит повысить устойчивость мировых продовольственных систем к изменению климата. Мисс Пулсфорд сказала: «Понимание того, как работает ССМ, не только обогащает наши знания о природных процессах, имеющих фундаментальное значение для биогеохимии Земли, но и может помочь нам в создании устойчивых решений некоторых из самых серьезных экологических проблем, с которыми сталкивается мир».
Ранее ученые обнаружили гигантский запас углерода в почве под землей. Углерод из почвы обычно относится к органическому компоненту, называемому почвенным органическим углеродом (SOC). Однако существует и неорганический компонент, называемый почвенным неорганическим углеродом (SIC), который часто состоит из таких веществ, как карбонат кальция. SIC обычно накапливается в засушливых, менее плодородных регионах, что заставляет многих считать его незначимым.
