Виктор Дитрих 
Международная группа исследователей открыла уникальный молекулярный механизм, используемый древней группой наземных растений. Эта находка может стать ключом к созданию сельскохозяйственных культур, таких как пшеница и рис, способных значительно эффективнее преобразовывать солнечный свет в пищу.
В центре проблемы, над которой бьются ученые по всему миру, находится фермент Rubisco. Он отвечает за улавливание углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза, но делает это крайне медленно и неэффективно. «Rubisco –– возможно, самый важный фермент на планете, поскольку именно с него начинается путь почти всего углерода в нашей пище, –– отмечает доцент Фэй-Вэй Ли из Института Бойса Томпсона. –– Но он медленный и легко отвлекается на кислород, что приводит к потере энергии и ограничивает рост растений».
Некоторые организмы, например, многие виды водорослей, выработали элегантное решение этой проблемы. Они «упаковывают» Rubisco в микроскопические отсеки внутри своих клеток, называемые пиреноидами. Эти структуры концентрируют углекислый газ вокруг фермента, заставляя его работать гораздо производительнее. Ученые давно мечтали внедрить подобную систему «турбонаддува» в продовольственные культуры, у которых пиреноиды отсутствуют, однако перенос механизма водорослей оказался слишком сложной задачей.
Прорыв произошел благодаря изучению антоцеротовых мхов –– единственных известных наземных растений, обладающих механизмами концентрации CO₂. Поскольку эволюционно они ближе к сельскохозяйственным культурам, чем водоросли, команда предположила, что их молекулярный аппарат будет более совместим. Однако результат превзошел все ожидания. Исследователи обнаружили, что антоцеротовые мхи не используют отдельные белки для сбора Rubisco, а модифицировали сам фермент, добавив к одной из его частей дополнительный «хвост», названный RbcS-STAR. Этот элемент действует как молекулярная липучка, заставляя молекулы Rubisco сцепляться вместе.
Чтобы проверить работоспособность механизма, ученые провели серию экспериментов. Они ввели ген RbcS-STAR в родственный вид мха, у которого нет пиреноидов, и фермент Rubisco немедленно начал собираться в плотные, концентрированные структуры. Тот же самый эффект наблюдался при переносе гена в арабидопсис –– растение, широко используемое в лабораторных исследованиях. «Даже простое присоединение „хвоста“ STAR к собственному Rubisco арабидопсиса вызвало такой же эффект кластеризации, –– говорит профессор Алистер Маккормик из Эдинбургского университета. –– Это говорит о том, что STAR –– универсальный инструмент, который может работать в разных растительных системах».
Именно эта универсальность делает открытие таким значимым для сельского хозяйства. Появляется возможность активировать сборку Rubisco в нужных культурах с помощью одного общего компонента. Конечно, остаются и нерешенные задачи. Необходимо создать систему «каналов» для доставки CO₂ к новым структурам. «Мы построили дом для Rubisco, но он не будет эффективным, пока мы не обновим систему вентиляции», –– поясняет доцент Лора Ганн из Корнеллского университета. Команда уже работает над решением этой проблемы.
Тем не менее, открытие является важнейшим шагом в области с огромным потенциалом. Даже скромное повышение эффективности фотосинтеза способно увеличить урожайность и одновременно снизить экологический след сельского хозяйства –– ключевая цель на пути к устойчивому производству продуктов питания. «Это исследование показывает, что природа уже протестировала решения, у которых мы можем учиться, –– заключает Ли. –– Наша задача –– достаточно хорошо понять их, чтобы применить там, где они нужны больше всего –– в культурах, которые кормят мир».
