Mokslininkai „nulaužė“ fotosintezę: išmaitinsime dar kelis milijardus žmonių?

Fotosintezė – pati svarbiausia pasaulyje cheminė reakcija. Ją vykdantys augalai Saulės šviesą, vandenį ir orą konvertuoja į energiją ir maistą, o dabar JAV ir Jungtinės Karalystės mokslininkai aptiko būdą šį natūralų, milijardus metų besivysčiusį procesą pagreitinti panaudojant melsvabakterių baltymus.

Tai – itin svarbus proveržis, galbūt leisiantis ieškoti naujų būdų išmaitinti augančią Žemės populiaciją. Visai tikėtina, kad šio atradimo svarba bus palyginama su XX a. pradžioje atrastu būdu fiksuoti azotą (t. y., gaminti azoto pagrindo trąšas) – už šį atradimą du mokslininkai, Fritzas Haberis ir Carlas Boschas - buvo apdovanoti Nobelio premijomis. Šiandien net 40 proc. pasaulio gyventojų maitinasi maistu, išaugusiu naudojant azoto trąšas.

Jau kelis dešimtmečius mokslininkai matė, kad fotosintezės procesą įmanoma patobulinti – daugiausiai erdvės tobulėjimui teikė baltymo, pavadinto Rubisco, aktyvumas. Šis baltymas anglies dvideginį (CO2) konvertuoja į cukrų. Tai – turbūt labiausiai planetoje paplitęs baltymas, sudarantis iki pusės visų lapuose esančių tirpių baltymų.

Tiesa, šio baltymo milžiniškos gausos priežastis yra ta, jog jis nėra labai jau efektyvus, o mokslininkai jau ilgą laiką ieškojo būdų padidinti baltymo produktyvumą. Jų skaičiavimais, „Rubisco modifikavimas ir anglies dvideginio koncentracijos šio baltymo aplinkoje padidinimas galėtų net 60 proc. padidinti tokių kultūrų, kaip ryžiai ir javai, derlių“, - sakė „Nature“ žurnalistė Heidi Leidford. Didesnis fotosintezės efektyvumas suteiktų galimybę sumažinti naudojamų trąšų kiekį, sumažinti pasėlių užimamus plotus. Tačiau iki šiol Rubisco modifikavimai nebuvo sėkmingi.

Pastarojo tyrimo autoriai, kuriems vadovavo Cornell universiteto (JAV) augalų genetikė Maureen Hanson, nusprendė savo darbe panaudoti Rubisco versiją iš mažučio, bet itin efektyvaus organizmo – melsvabakterės Synechococcus elongatus

Tuomet genetinės inžinerijos būdu Rubisco genas buvo įterptas į tabako augalo chloroplasto (organoido, vykdančio fotosintezę) genomą. Paaiškėjo, kad modifikuoti augalai CO2 į cukrų pradėjo konvertuoti greičiau nei įprastinis tabakas – tai yra ženklas, jog padidėjo fotosintezės efektyvumas.

„Tai – pirmas kartas, kai genetinės inžinerijos būdu sukurtas augalas, kuris visą anglį vartoja panaudodamas melsvabakterės fermentą. Tai yra itin svarbus pirmasis žingsnis kuriant augalus, kurie fotosintezę vykdo efektyviau“, - sakė M. Hanson.

O kaip gi nutiko, kad ši mokslininkų grupė sėkmingai įveikė užduotį, parklupdžiusią daugybę kitų specialistų? Labai svarbu tai, jog jie į augalų genomą įkėlė du papildomus bakterijų baltymus. Vienai tiriamųjų augalų grupei buvo įkeltas bakterijos baltymas, padedantis Rubsico tinkamai susisukti (t. y., įgyti reikiamą trimatę struktūrą), o kitai grupei buvo įkeltas baltymas, kuris struktūriškai prilaiko Rubisco. Mokslininkės manymu, veikiausiai tai padėjo augalams „įsisavinti“ efektyvesnį fotosintezės baltymą.

Mokslininkų rezultatai yra ženklas, jog genetinės inžinerijos būdu įkėlus bakterijų Rubisco į javus galima būtų tikėtis gerokai didesnio derliaus. Tačiau labai svarbu yra tai, jog šis darbas yra tik labai sėkmingas pirmas žingsnis ilgame tyrimų kelyje.

Kol kas bakterijų Rubisco, nors ir gerokai efektyvesnis nei augalų, gali eikvoti energiją reakcijoms ne su CO2, o su O2. Laboratorijoje mokslininkai šią problemą sprendžia augindami augalus kamerose su dirbtinai padidintu anglies dvideginio kiekiu, nors akivaizdu, kad tai nėra tinkamas ilgalaikis sprendimas.

Paprastai pačios melsvabakterės tą pačią problemą įveikia aplink Rubisco sukurdamos struktūras, vadinamas karboksisomomis – taip sukuriamos labai nedidelės kameros, kupinos CO2. Tačiau šios struktūros tabako augaluose natūraliai nesusidaro.

Nors vilties tikrai yra – šių metų birželį mokslininkai skelbė, jog genetiškai modifikavo tabako augalą, galintį generuoti struktūras, panašias į karboksisomas. Taigi, kitas savaime suprantamas žingsnis – suderinti šias modifikacijas ir patikrinti, ar tai padidina fotosintezės efektyvumą natūralioje aplinkoje.

Tyrimui tabako augalai buvo naudojami dėl to, kad jų genomas yra puikiai ištyrinėtas. Praktinės naudos iš šio tyrimo sulauksime tik tada, kai tą pačią sėkmę mokslininkai pakartos ir su kitais augalais, kuriuos naudojame maistui.