Genele împrumutate trezesc speranțe pentru repararea enzimei vegetale „lente și confuze”.

Aducerea genelor bacteriene pentru a înlocui o enzimă notorie în plantele de tutun ar putea fi un pas către creșterea recoltelor culturilor alimentare.

Biologii au mormăit de zeci de ani despre ritmul neîncetat și greșelile risipitoare ale enzimei poreclit Rubisco (pentru D-ribuloză-1,5-bisfosfat carboxilază/oxigenază). O versiune a enzimei orchestrează o etapă cheie în captarea dioxidului de carbon din aer pentru organismele fotosintetice, de la zgomotul de iaz la sequoia. Un grup mare de plante verzi, inclusiv soia, orezul și grâul, are unele dintre cele mai puțin eficiente Rubisco dintre toate, limitându-le în cele din urmă productivitatea.

O modalitate de a accelera Rubisco ar putea fi un pas mai aproape, datorită înlocuirii genelor concepute de cercetătorii de la Universitatea Cornell și Rothamsted Research din Harpenden, Anglia. Genele pentru un Rubisco mai plin de energie, împrumutate de la o cianobacterie, au creat enzime de lucru în tutunul de laborator, au raportat cercetătorii pe 17 septembrie în Natură. Tutunul a servit ca șobolan de laborator botanic, dar cercetătorii speră că ceea ce învață va face, într-o zi, plantele alimentare mai eficiente.

Mai multă muncă trebuie făcută înainte ca cercetătorii să poată face plantele să prospere cu genele Rubisco împrumutate, spune coautorul Maureen Hanson, genetician molecular la Cornell. Totuși, e mulțumită să demonstreze că genele transplantate funcționează. „Dacă nu poți face asta să funcționeze”, spune ea, „trebuie să renunți la tot proiectul.”

Această lucrare pare „foarte semnificativă”, spune Dean Price, al cărui laborator de la Universitatea Națională Australiană din Canberra explorează și modalități de a stimula fotosinteza. Introducerea genelor Rubisco ale unei alte specii într-o plantă nu este nouă, dar de data aceasta, cercetătorii au convins genele din cianobacterii să producă cantități utile din enzimă.

Dacă cercetătorii pot împinge plante precum soia sau grâul să fotosintetizeze la fel de eficient ca cianobacteriile, recoltele ar putea crește cu 36 până la 60 la sută, spune Stephen Long de la Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign. Tendințele sugerează că lumea va trebui să dubleze proviziile de orez, grâu și soia până în 2050 pentru a alimenta populația în plină expansiune, spune el.

Enzima Rubisco este „lentă și confuză”, spune biochimistul de plante Spencer Whitney, de asemenea la Universitatea Națională Australiană. Poate capta fie dioxid de carbon pentru fotosinteză, fie oxigen, care scurtcircuitează captarea obișnuită de energie și creează compuși pe care celula trebuie să-i curețe. Formele timpurii ale lui Rubisco au apărut probabil cu mai bine de 3 miliarde de ani în urmă, când CO₂ a dominat atmosfera Pământului. Dar în atmosfera de astăzi bogată în oxigen, captează cu ușurință risipa de O₂ in schimb.

Cianobacteriile minimizează astfel de deșeuri prin crearea propriului CO₂ lume. Își îmbracă Rubisco în compartimente foarte mici, unde CO₂ concentrate. Acolo, cu o tentație minimă de oxigen, riscul de greșeli este scăzut. Deci, cianobacteriile pot folosi forme Rubisco care nu sunt deosebit de discriminatorii, dar își produc rapid produsele.

Faptul ca genele Rubisco să funcționeze într-o specie nouă reprezintă provocări ciudate. De exemplu, cele opt subunități mari ale enzimei Rubisco sunt în mod normal codificate de gene din cloroplast, dar genele pentru cele opt subunități mici ale enzimei se află în nucleul celulei.

Biologul molecular Myat Lin din laboratorul lui Hanson a făcut față prin introducerea genelor cianobacteriene pentru ambele tipuri de subunități plus niște ajutoare în cloroplastele de tutun. Cloroplastele au atât de multe copii ale unor gene, în jur de 2.500 în loc de mai puțin de 10 în nucleul celulei, încât celulele produc proteine ​​​​cloroplastice în mare abundență.

Transferul a funcționat suficient de bine pentru ca cianobacteria Rubisco să susțină fotosinteza singură în plantele de tutun. Iar versiunea transferată a captat mai mult carbon per unitate de enzimă decât Rubisco obișnuit al plantelor. Cu toate acestea, plantele de tutun modificate nu au gene pentru CO₂-compartimente de concentrare. Chiar și atunci când cercetătorii au ținut plantele în camere cu de 22 de ori mai mult CO₂ de aer normal, plantele de tutun tot nu au crescut repede. Pentru ca tutunul să profite de noua sa enzimă, cercetătorii speră să adauge compartimente, spune Hanson.

Există cu siguranță și alte strategii pentru modernizarea Rubisco, notează Howard Griffiths de la Universitatea din Cambridge. Laboratorul său încearcă să convingă o versiune vegetală a enzimei – cu o discriminare superioară pentru CO₂ peste O₂ — să funcționeze în agregate libere care ar putea oferi unele dintre beneficiile compartimentelor.