Команда исследователей из Тайваня разработала дополнительный биохимический путь, позволяющий растениям эффективнее использовать углекислый газ. Они встроили в модельное растение новый механизм — так называемый малил-КоА-глицератный цикл (McG-цикл).
В отличие от традиционного цикла Кальвина-Бенсона-Бэссхэма, ограниченного неэффективностью фермента Rubisco, McG-цикл захватывает углерод на двух стадиях и напрямую производит молекулы, пригодные для синтеза жиров. Более того, он интегрируется с классическим циклом, создавая сбалансированную систему. Все восемь реакций в новом пути основаны на ферментах, встречающихся в природе, хотя обычно они не присутствуют вместе в одном виде.
Эксперименты на модельных растениях
Для проверки гипотезы учёные внедрили McG-цикл в Arabidopsis thaliana — популярное модельное растение.
Результаты оказались впечатляющими:
- масса растений увеличилась в 2–3 раза;
- появилось больше и крупнее листьев;
- семенная продуктивность заметно выросла;
- уровень липидов и триглицеридов в клетках вырос в десятки и даже сотни раз.
При этом дополнительное поглощение углерода не потребовало увеличенного потребления воды, что особенно важно для применения в сельском хозяйстве. Радиоактивные метки подтвердили, что углерод действительно перерабатывается в нужные соединения, а визуализация клеток показала многочисленные жировые включения.
Перспективы и вызовы
Несмотря на значительные успехи, исследователи подчёркивают, что до практического использования ещё далеко. Arabidopsis — это лабораторный сорняк, и результаты на нём не гарантируют аналогичного эффекта для сельскохозяйственных культур или деревьев. Кроме того, в естественных условиях почвы часто беднее, чем в лаборатории, а избыточные липиды могут вести себя иначе.
Остаётся и ключевой вопрос: насколько долго растения смогут удерживать связанный углерод. Если липиды окислятся после гибели растения, большая часть эффекта исчезнет. Тем не менее у технологии есть потенциал для производства биотоплива, ведь жиры могут служить сырьём для топлива.
Учёные называют эту работу доказательством концепции. Впервые удалось перепрограммировать фундаментальный метаболический цикл растений, существующий миллиарды лет, и не разрушить его, а наоборот — сделать растения более продуктивными.
Исследование опубликовано в журнале Science.
