Fotosyntes är den process som ligger bakom all växttillväxt. Forskare strävar efter att öka fotosyntesen för att möta den ökande globala efterfrågan på mat genom att konstruera dess nyckelenzym Rubisco. Nu, forskare vid Max Planck Institute of Biochemistry har lyckats framställa funktionell växt Rubisco i en bakterie. Detta möjliggör genteknik av enzymet. Studien kan en dag leda till bättre skördar och växtsorter med ökad vattenanvändningseffektivitet eller förbättrad temperaturbeständighet. Resultaten publicerades i Vetenskap .

Världens befolkning förväntas överstiga 9 miljarder år 2050. Med fler munnar att mata, det finns ett akut behov av förbättrad matproduktion. För att möta den globala efterfrågan på mat, forskare strävar efter att öka effektiviteten av fotosyntesen och därmed grödans produktivitet.

Öka fotosyntesen

Fotosyntes är den grundläggande biologiska processen som ligger till grund för all växttillväxt och stödjer livet på jorden. Växter använder energin från solljus för att omvandla koldioxid (CO2) och vatten till socker och syre (O2). Det kritiska enzymet i denna process är Rubisco. Rubisco katalyserar det första steget i kolhydratproduktion i växter, fixering av CO2 från atmosfären. Genom att göra så, växter använder CO2 för att bygga biomassa och producera den energi som krävs för tillväxt. Dock, Rubisco är ett ineffektivt enzym eftersom det fångar upp CO2 långsamt. Konkurrerande reaktioner med O2 försämrar Rubiscos katalytiska effektivitet ytterligare. Av dessa anledningar, Rubisco begränsar ofta fotosynteshastigheten och i slutändan växternas tillväxt, vilket gör Rubisco till ett hett mål för genteknik.

Engineering av fabriken Rubisco, och fotosyntes, skulle förstärkas genom funktionellt uttryck av enzymet i alternativa värdar. Än så länge, dock, forskare misslyckades med att producera en enzymatiskt aktiv form av växt Rubisco i en bakterievärd – ett mål som har varit eftertraktat i många decennier. Ett team ledd av Manajit Hayer-Hartl, chef för forskargruppen "Chaperonin-assisted Protein Folding", har nu identifierat kraven för att uttrycka och montera växten Rubisco i en bakterie. Deras resultat förväntas avsevärt påskynda ansträngningarna att förbättra fotosyntesen genom Rubisco-teknik.

Monteringslinjen Rubisco

Rubisco-enzymet består av åtta stora och åtta små underenheter. Proteinvikning av de stora underenheterna assisteras av specifika chaperoniner, makromolekylära hopfällbara burar, där de nysyntetiserade proteinerna kan anta sin rätta funktionella konformation. Efter vikning, flera ytterligare hjälparproteiner (chaperoner) hjälper till med korrekt montering av subenheterna i det stora enzymkomplexet.

Forskarna genererade funktionell växt Rubisco i en bakterievärd genom att samtidigt uttrycka växtchaperoner och Rubisco i samma celler. Detta gör det inte bara möjligt för forskarna att förstå Rubiscos komplexa monteringsväg, men att modifiera Rubisco-genen för att förbättra Rubiscos egenskaper. När de har fått en Rubisco -variant med ett önskat drag, de kan infoga den modifierade genen tillbaka i växtcellerna. Detta är ett nyckelsteg för att förbättra fotosyntesen genom Rubisco-teknik. "Bakterieexpressionssystemet liknar ett monteringsband för bilar. Medan varje optimerad variant av Rubisco tidigare var tvungen att noggrant uttryckas i en transgen växt, som tar ett år eller mer att generera - som att bygga en bil för hand - kan vi nu göra hundratals eller tusentals Rubisco-varianter på dagar eller veckor. Det är som att bygga bilar i ett automatiserat löpande band", förklarar Hayer-Hartl.

Superior Rubisco -varianter

Genteknik underlättar arbetet med att generera Rubisco-varianter med förbättrade funktionella egenskaper. Detta kan inte bara leda till den välbehövliga ökningen av skörden, men också växtsorter med ökad vattenanvändningseffektivitet eller förbättrad temperaturbeständighet - egenskaper som är av särskild betydelse i ljuset av den globala uppvärmningen och ökande vattenbrist.