Fremtiden for afgrødeteknik

Fotosyntese er den proces, der ligger til grund for al plantevækst. Forskere sigter mod at øge fotosyntesen for at imødekomme den stigende globale efterspørgsel efter fødevarer ved at konstruere dets nøgleenzym Rubisco. Nu, Det er lykkedes forskere ved Max Planck Institute of Biochemistry at producere funktionel plante Rubisco i en bakterie. Dette muliggør gensplejsning af enzymet. Undersøgelsen kan en dag føre til bedre afgrødeudbytter og plantesorter med øget vandforbrugseffektivitet eller forbedret temperaturbestandighed. Resultaterne blev offentliggjort i Videnskab .

Verdens befolkning forventes at overstige 9 milliarder i 2050. Med flere munde at mætte, der er et presserende behov for forbedret fødevareproduktion. For at imødekomme den globale efterspørgsel efter fødevarer, forskere sigter mod at øge effektiviteten af ​​fotosyntesen og dermed afgrødeproduktiviteten.

Forøgelse af fotosyntesen

Fotosyntese er den grundlæggende biologiske proces, der ligger til grund for al plantevækst og understøtter livet på Jorden. Planter bruger sollysets energi til at omdanne kuldioxid (CO2) og vand til sukker og ilt (O2). Det kritiske enzym i denne proces er Rubisco. Rubisco katalyserer det første trin i kulhydratproduktion i planter, fiksering af CO2 fra atmosfæren. Derved, planter udnytter CO2 til at bygge biomasse og producere den nødvendige energi til vækst. Imidlertid, Rubisco er et ineffektivt enzym, da det opfanger CO2 langsomt. Konkurrerende reaktioner med O2 forringer yderligere Rubiscos katalytiske effektivitet. Af disse grunde, Rubisco begrænser ofte hastigheden af ​​fotosyntese og i sidste ende plantevækst, gør Rubisco til et varmt mål for genteknologi.

Engineering af fabrikken Rubisco, og fotosyntese, ville blive forstærket af funktionel ekspression af enzymet i alternative værter. Indtil nu, imidlertid, forskere undlod at producere en enzymatisk aktiv form for plante Rubisco i en bakteriel vært - et mål, der har været eftertragtet i mange årtier. Et hold ledet af Manajit Hayer-Hartl, leder af forskningsgruppen "Chaperonin-assisteret proteinfoldning", har nu identificeret kravene til ekspression og samling af plante Rubisco i en bakterie. Deres resultater forventes i høj grad at fremskynde indsatsen for at forbedre fotosyntesen gennem Rubisco-teknik.

Rubisco samlebånd

Rubisco-enzymet består af otte store og otte små underenheder. Proteinfoldning af de store underenheder assisteres af specifikke chaperoniner, makromolekylære foldebure, hvor de nysyntetiserede proteiner kan antage deres korrekte funktionelle konformation. Efter foldning, flere yderligere hjælpeproteiner (chaperones) hjælper med den korrekte samling af underenhederne til det store enzymkompleks.

Forskerne genererede funktionel plante Rubisco i en bakteriel vært ved samtidig at udtrykke plantechaperoner og Rubisco i de samme celler. Dette gør det ikke kun muligt for forskerne at forstå Rubiscos komplekse samlingsvej, men for at modificere Rubisco-genet for at forbedre Rubiscos egenskaber. Når de har fået en Rubisco-variant med en ønsket egenskab, de kan indsætte det modificerede gen tilbage i plantecellerne. Dette er et nøgletrin til at forbedre fotosyntesen gennem Rubisco-teknik. "Bakterieekspressionssystemet ligner et samlebånd for biler. Hvorimod hver optimeret variant af Rubisco tidligere skulle udtrykkes møjsommeligt i en transgen plante, som tager et år eller mere at generere - som at bygge en bil i hånden - vi kan nu lave hundredvis eller tusindvis af Rubisco-varianter på dage eller uger. Det er som at bygge biler i et automatiseret samlebånd", forklarer Hayer-Hartl.

Superior Rubisco varianter

Genteknologi letter bestræbelserne på at generere Rubisco-varianter med forbedrede funktionelle egenskaber. Dette kan ikke kun føre til den hårdt tiltrængte stigning i afgrødeudbyttet, men også plantesorter med øget vandforbrugseffektivitet eller øget temperaturbestandighed - egenskaber, der er af særlig betydning i lyset af global opvarmning og stigende vandknaphed.