En ny studie ger en ram för att öka tillväxten av grödor genom att införliva en strategi antagen från en snabbväxande art av grönalger. Algerna, kända som Chlamydomonas reinhardtii, innehåller en organell som kallas pyrenoiden som påskyndar omvandlingen av kol, som algerna tar upp från luften, till en form som organismerna kan använda för tillväxt. I en studie publicerad 19 maj 2022 i tidskriften Nature Plants , använde forskare vid Princeton University och Northwestern University molekylär modellering för att identifiera de egenskaper hos pyrenoiden som är mest kritiska för att förbättra kolfixeringen, och kartlade sedan hur denna funktionalitet kunde konstrueras till växter.

Det här är inte bara en akademisk övning. För många människor idag kommer huvuddelen av matkalorierna från växtväxter som tämdes för tusentals år sedan. Sedan dess har framsteg inom bevattning, befruktning, avel och industrialiseringen av jordbruket hjälpt till att föda den växande mänskliga befolkningen. Men vid det här laget kan bara inkrementella vinster utvinnas från dessa tekniker. Samtidigt förutspås livsmedelsosäkerheten, som redan är på krisnivåer för en stor del av världens befolkning, förvärras på grund av ett förändrat klimat.

Ny teknik kan vända denna trend. Många forskare tror att algpyrenoiden erbjuder just en sådan innovation. Om forskare kan konstruera en pyrenoidliknande förmåga att koncentrera kol i växter som vete och ris, kan dessa viktiga livsmedelskällor få en kraftig ökning av deras tillväxthastighet.

"Detta arbete ger tydlig vägledning för att konstruera en kolkoncentreringsmekanism i växter, inklusive större grödor", säger Martin Jonikas, en senior författare till studien som är docent i molekylärbiologi vid Princeton och en utredare vid Howard Hughes Medical Institute .

Chlamydomonas reinhardtii achieves carbon fixation due to the action of the enzyme Rubisco, which catalyzes the conversion of CO₂ into organic carbon.

Terrestrial plants also use Rubisco to accomplish carbon fixation, but in most plants, Rubisco only works at about a third of its theoretical capacity because it cannot access enough CO₂ to operate faster. Much effort has therefore gone into studying the carbon-concentrating mechanisms, particularly those found in cyanobacteria and in Chlamydomonas, with the hope of eventually providing this function for terrestrial crop plants. But there's a problem:

"While the structure of the pyrenoid and many of its components are known, key biophysical questions about its mechanism remain unanswered, due to a lack of quantitative and systematic analysis," said senior co-author Ned Wingreen, Princeton's Howard A. Prior Professor of the Life Sciences and professor of molecular biology and the Lewis-Sigler Institute of Integrative Genomics.

To gain insights about how the algal pyrenoid carbon-concentrating mechanism works, Princeton graduate student Chenyi Fei collaborated with undergraduate Alexandra Wilson, Class of 2020, to develop a computational model of the pyrenoid with the help of co-author Niall Mangan, assistant professor of engineering sciences and applied mathematics at Northwestern University.

Prior work has shown that the Chlamydomonas reinhardtii pyrenoid consists of a spherical Rubisco matrix traversed by a vasculature of membrane-enclosed projections called pyrenoid tubules, and surrounded by a sheath made of starch. It's thought that CO₂ taken up from the environment is converted into bicarbonate and then transported into the tubules, where it then enters the pyrenoid. An enzyme present in the tubules converts bicarbonate back into CO₂ , which then diffuses into the Rubisco matrix. But is this picture complete?

"Our model demonstrates that this conventional picture of the pyrenoid carbon-concentrating mechanism can't work because CO₂ would just rapidly leak back out of the pyrenoid before Rubisco could act on it," Wingreen said. "Instead, the starch shell around the pyrenoid must act as a diffusion barrier to trap CO₂ in the pyrenoid with Rubisco."

In addition identifying this diffusion barrier, the researchers' model pinpointed other proteins and structural features needed for CO₂ concentration. The model also identified non-necessary components, which should make engineering pyrenoid functionality into plants a simpler task. This simplified model of the pyrenoid, the researchers showed, behaves similarly to the actual organelle.

"The new model developed by Fei, Wilson, and colleagues is a game changer," said Alistair McCormick, an expert in Plant Molecular Physiology and Synthetic Biology at the University of Edinburgh, who has worked with the Princeton scientists but was not involved in this study.

"One of the key findings of this paper, which differentiates the Chlamydomonas carbon-concentrating mechanism from those found in cyanobacteria, is that introducing active bicarbonate transporters may not be necessary," McCormick said. "This is important because active bicarbonate transport has been a key challenge hindering progress in the engineering of biophysical carbon-concentrating mechanisms."