Фермент рубиско — главный участник фотосинтеза. Он помогает растениям и бактериям превращать углекислый газ в сахара, используя энергию света. Это самый распространенный фермент на Земле, но, как ни странно, работает он медленно и неэффективно.

Ученые из MIT решили его улучшить. Они взяли рубиско из бактерий, живущих в среде с малым количеством кислорода, и с помощью метода направленной эволюции нашли мутации, которые ускорили его работу на 25%. Теперь они хотят применить этот подход к растениям — возможно, это повысит урожайность.

Направленная эволюция — это метод, когда ученые искусственно создают случайные мутации в гене, а затем отбирают те варианты белка, которые лучше выполняют нужную функцию (например, работают быстрее). Это как ускоренная версия естественного отбора в пробирке.

Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Это серьезный прорыв, — говорит Мэттью Шоулдерс, профессор химии MIT. — Теперь мы можем менять свойства рубиско, и это открывает огромные перспективы.

Почему рубиско такой медленный

Он не только присоединяет CO₂ к молекуле-заготовке, но и ошибочно реагирует с кислородом, тратя энергию впустую. Большинство ферментов фотосинтеза делают сотни реакций в секунду, а рубиско — всего 1–10.

Раньше его пытались улучшить, но старые методы были медленными и давали скромные результаты. Команда MIT использовала новый подход — MutaT7. Он позволяет быстрее создавать и проверять мутации прямо в живых клетках.

Шесть раундов эволюции — и ученые нашли три ключевые мутации. Все они рядом с активным центром фермента и помогают ему «выбирать» CO₂ вместо кислорода.

Теперь рубиско меньше отвлекается на ненужные реакции, — объясняет Шоулдерс. — Это как если бы вы заставили повара перестать бросать лук в компот.

Следующий шаг — применить этот метод к растениям.

Если получится, сельское хозяйство может серьезно выиграть: сейчас из-за ошибок рубиско теряется до 30% энергии света.

Мы вышли на новый уровень, — говорит Роберт Уилсон, соавтор исследования. — Теперь можно менять саму скорость работы фермента, а не только его стабильность.

Если метод сработает на растениях, это может:

• Увеличить урожайность — культуры будут быстрее превращать CO₂ в сахара.
• Снизить потери от фотодыхания — рубиско перестанет тратить энергию на реакцию с кислородом.
• Помочь в условиях глобального потепления — при высоких температурах фотодыхание усиливается, а улучшенный фермент может это компенсировать.

Но главное — подход MIT открывает путь к тонкой настройке других ферментов, что полезно не только для сельского хозяйства, но и для биотехнологий.

Пока улучшенный рубиско тестировали только в бактериях. Растения — более сложные системы: даже если фермент станет эффективнее, неизвестно, как это скажется на их росте в целом. Возможно, ускорение одной реакции создаст «бутылочное горлышко» в других этапах фотосинтеза.

Ранее ученые выяснили, почему наночастицы вредят растениям.