Вчені Корнельського університету (США) знайшли спосіб створення високопродуктивних сільськогосподарських рослин з удосконаленим процесом фотосинтезу. Відкриття, про яке повідомляється в високорейтинговому науковому журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, вказує на можливість підвищити врожайність культур на обмежених площах, що дозволить прогодувати зростаюче населення Землі до 2050 року.
У хлоропластах міститься фермент карбоангідраза, який полегшує фотосинтез у рослин, які фіксують вуглець через С3-шлях (тобто більшість рослин). Вона каталізує реакцію взаємоперетворення між бікарбонатом (HCO3) і вуглекислим газом і водою, і, таким чином, забезпечує рівновагу між засвоюваним вуглекислим газом і бікарбонатом. Вважається, що для збільшення продуктивності фотосинтезу, необхідно видалити карбоангідразу, і тоді сільськогосподарські рослини почнуть засвоювати вуглекислий газ так само інтенсивно, як і синьо-зелені водорості (або ціанобактерії).
Для придушення карбоангідрази вчені скористалися системою редагування генів CRISPR/Cas9. За допомогою неї вони заблокували активність двох генів, що кодують два види карбоангідрази β-CA1 і β-CA5, що функціонують всередині хлоропластів. Виявилося, що якщо заблокувати один з двох ферментів, то рослини ростуть нормально, але при нокауті обох генів листя починало відмирати. Таким чином, карбоангідраза потрібна рослинам для того, щоб виробляти бікарбонат, необхідний для формування листа.
Якщо ж рослини з подвійною мутацією помістити в умови з високим вмістом вуглекислого газу (9000 частин на мільйон), то нормальний ріст поновлювався, оскільки в цьому випадку в тканинах листя утворюється досить бікарбонату і без участі карбоангідрази. Листя як мутантів, так і нормальних рослин, дозрілих при високій концентрації CO2, мали ідентичні швидкості фіксації вуглецю і ефективність фотосистеми II – комплексу, який виробляє кисень при розкладанні води за участю світла.
Оскільки дослідження розкриває, що сама карбоангідраза не потрібна для процесу фотосинтезу, залишається створити додаткові механізми для транспортування бікарбонатів в хлоропласти, щоб підвищити ефективність засвоєння вуглецю. Дослідники планують встановити переносник бікарбонату на хлоропластну мембрану, щоб імпортувати з’єднання з інших частин клітини в хлоропласти. Для цієї мети вчені отримали грант Національного наукового фонду на суму близько 800 тисяч доларів. Іншою важливою проблемою є те, що карбоангідраза потрібна для захисту рослин від вірусів, однак цю функцію може виконувати неактивний фермент.