Рубиско, главный покровитель органики
Вся жизнь на Земле зависит от работы одного фермента. Имя ему Рубиско: это сокращение от зубодробительного названия рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа.
Рубиско — белок, который находится в зелёных хлоропластах, где ловит углекислый газ и закрепляет его в органических молекулах. Он превращает газ в органическую материю и жизненно необходим всем зелёным растениям и, в общем-то, всей жизни на Земле.
Это самый массовый белок на планете: на его долю приходится до 50% всех белков в зелёном листе. Растения делают так много этого белка, потому что он очень медленно работает: одна молекула способна связать всего несколько молекул углекислого газа в секунду. За это время другие ферменты в клетках совершают тысячи операций.
Рубиско — очень старый белок. Он появился на Земле более двух миллиардов лет назад. В те времена в атмосфере правила анаэробная (бескислородная) жизнь: углекислого газа было полно, а свободного кислорода ничтожно мало.
Прошли эпохи, фотосинтезирующие организмы заполнили планету и насытили атмосферу кислородом. И тут древнее строение Рубиско превратилось в ловушку. Теперь, когда на улице становится жарко и сухо, растение закрывает свои поры-устьица, чтобы не потерять драгоценную воду. Испарение прекращается, но и приток углекислого газа из воздуха блокируется. Внутри листа начинает копиться кислород. Рубиско путается и вместо CO2 хватает O2. Но из одного кислорода не построить органические молекулы, потому что в нём нет атомов углерода.
Учёные называют этот процесс фотодыханием (или C2-фотосинтезом). Вместо полезного сахара Рубиско по ошибке строит токсичные вещества, в которых только два атома углерода — отсюда и название. Растению приходится тратить дополнительную энергию (АТФ — молекула, в которой запасена энергия в живых клетках) и задействовать сразу три разные органеллы (хлоропласт, пероксисому и митохондрию), чтобы обезвредить этот яд и вернуть хотя бы часть углерода в оборот. Из-за этой ошибки растения в жаркие дни вхолостую сжигают до 20–25% всей органики, которую только что создали.
Но и полезные свойства у фотодыхания есть.
Палящее солнце… Растение закрыло устьица, чтобы сберечь воду. Углекислый газ не поступает. Фотосинтез продолжается, энергия производится. Если эту энергию не тратить, в клетке начнут образовываться свободные радикалы (активный кислород), которые просто сожгут хлоропласт изнутри. Пламени с дымом там, конечно, не появится, но с точки зрения химии это самое настоящее горение — процесс окисления, при котором радикалы отрывают электроны от мембран и белков хлоропласта и полностью разрушают их структуру. При фотодыхании эти излишки тратятся на синтез тех самых двухуглеродных молекул, спасая лист от гибели. А в процессе их утилизации клетка производит аминокислоты — глицин и серин, которые нужны для защиты растения от стресса и болезней.
Так что в ошибках Рубиско есть и минусы, и плюсы в зависимости от условий. Чтобы найти баланс, разные группы растений пошли своими эволюционными путями. Так появились разные системы фотосинтеза.
Экономные консерваторы
Одна из них называется С3-фотосинтез. Это классический способ, им пользуется 85% растений на Земле, включая пшеницу, рис, рожь, овёс, картофель и почти все деревья. Своё название он получил потому, что первой стабильной молекулой, которую Рубиско собирает из углекислого газа, становится трёхуглеродный сахар, или C3. Все процессы идут в одной и той же части листа — мезофилле, в его средней части. В комфортных условиях (около +20 °C и достаточная влажность) эта система невероятно экономична. На сборку одной молекулы глюкозы уходит всего 18 молекул АТФ.
Эту молекулу глюкозы растение расщепляет обратно до CO2 и воды и извлекает уже 32 молекулы АТФ, которые тратит на свои нужды: рост, ремонт, деление клеток. Но стоит температуре подняться выше +30 °C, запускается фотодыхание (С2 из предыдущей главы). Затраты на ликвидацию токсичных продуктов взлетают, и цена глюкозы вырастает до 45 АТФ за молекулу. Растение тратит больше энергии, чем получает, и уходит в энергетический дефицит.
Покорители жарких стран
Кукуруза, сахарный тростник, сорго и амарант решили проблему радикально. Раз Рубиско путает кислород и углекислый газ, нужно построить для него закрытый изолированный бункер, куда кислород вообще не проникает. Для этого C4-растения перестроили анатомию своего листа.
Их производство сахаров разделено на два изолированных цеха:
Внешний цех (клетки мезофилла). Здесь работает другой фермент — ФЕП-карбоксилаза. Он ловит CO2 даже в минимальных концентрациях и абсолютно равнодушен к кислороду. Затем он создаёт из него четырёхуглеродную молекулу (малат, краткое название C4).
Внутренний цех (клетки вокруг жилок листа). Молекулы C4 перекачиваются через специальные каналы глубоко внутрь листа. Там они распадаются и выпускают чистый CO2 прямо возле Рубиско, который синтезируется в листе исключительно в клетках вокруг жилок. Внутри этого глубинного бункера концентрация углекислого газа становится в 10–20 раз выше, чем в атмосфере. Фотодыхания здесь не бывает.
Работа ферментов и курьеров до Рубиско стоит дорого, 30 молекул АТФ. А в митохондриях ночью С4-растения получают те же стандартные 32 АТФ. В прохладе C4-система кажется расточительной. Зато в жару и засуху, пока пшеница тратит 45 АТФ и задыхается от токсинов, кукуруза продолжает тратить свои стабильные 30 АТФ, работая на максимальной мощности. Она экономит воду, держит устьица полузакрытыми и выдаёт рекордные показатели урожайности.
Проект суперрис
Рис кормит половину земного шара, и он классическое C3-растение. Ведь он зародился в тенистых и влажных поймах рек, поэтому Рубиско там работает по старинке. Но население Земли неуклонно растёт. По прогнозам учёных, к 2050 году человечеству потребуется на 50–70% больше продовольствия, чем сейчас. Расширять пашни больше некуда, леса и так вырубаются. Но выход есть: нужно кардинально поднять урожайность существующих культур на тех же площадях.
Если бы мы смогли превратить рис в суперэффективное C4-растение и высадить его в жарких странах, это решило бы проблему голода. Так родился международный научный проект C4 Rice Project, возглавляемый Оксфордским университетом и Международным институтом исследований риса (IRRI), в котором работают сотни генетиков, биохимиков и биотехнологов по всему миру.
Как пересадить фотосинтез?
Нельзя просто взять один ген из кукурузы, вставить его в рис и ждать чудо-урожая. Лист риса внутри однороден, все его клетки мезофилла выглядят одинаково. Учёным нужно заставить ДНК риса вспомнить древние эволюционные механизмы и вырастить структуру как у кукурузы. Нужно уменьшить расстояние между жилками листа, сформировать крупные, плотные клетки обкладки проводящего пучка и заполнить их особыми хлоропластами. Для этого генетики ищут главные регуляторные гены, которые управляют развитием тканей листа и настраивают их так, чтобы они начали работать в современном рисе.
Параллельно нужно вставить в геном риса целую батарею генов, отвечающих за ферменты C4-цикла. Учёные уже научились внедрять эти гены в рис, и они даже успешно производят нужные белки. Но возникла новая проблема: ферменты должны работать строго на своих местах. ФЕП-карбоксилаза должна плавать только во внешних клетках, а Рубиско — быть запертым только во внутренних. Если они перемещаются в одной клетке, растение страдает от энергетического шока. Чтобы скоординировать их работу, биоинженеры используют специальные регуляторы генов, которые разрешают синтез конкретного белка только в строго определённом типе клеток.
Сейчас учёные находятся на этапе сборки прототипов. Они уже создали линии риса с изменённой анатомией и линии со встроенными белками, ферментами, метаболитами и прочими необходимыми для С4 веществами, которые есть у кукурузы.
Теперь их задача — соединить эти линии с помощью методов геномного редактирования CRISPR/Cas9 и добиться того, чтобы молекулярный механизм работал гармонично.
Тест "Пересадка фотосинтеза"
Почему фермент Рубиско, отвечающий за создание органики из углекислого газа, иногда «путается» и начинает захватывать кислород?
Комментарии