Уявіть собі світ, де врожаї сільськогосподарських культур ростуть в рази швидше, а викиди вуглекислого газу значно знижуються. Звучить як наукова фантастика? Можливо, але вчені Массачусетського технологічного інституту (міт) зробили революційний прорив, який наближає цю реальність. Вони успішно реінжинірували ключовий фермент фотосинтезу-rubisco, який довгий час вважався «ахіллесовою п’ятою» цього життєво важливого процесу.

## Rubisco: найпоширеніший фермент на Землі, але не найефективніший

Фотосинтез-основа життя на Землі. Цей процес, завдяки енергії сонця, перетворює вуглекислий газ і воду в цукор і кисень. Ключову роль в цьому процесі відіграє фермент Rubisco (рибулозо-бісфосфаткарбоксилаза/оксигеназа). Він є найпоширенішим ферментом на планеті, беручи участь в «захопленні» вуглекислого газу з атмосфери. Однак, незважаючи на свою поширеність, Rubisco сумно відомий своєю неефективністю.

Уявіть собі крихітного робітника, який намагається зібрати величезне поле сіна, але при цьому постійно відволікаючись і роблячи помилки. Це і є Rubisco в його» природному » стані. Замість того, щоб зв’язуватися з вуглекислим газом, він помилково реагує з киснем, що призводить до втрати енергії та зниження ефективності фотосинтезу.

## Спрямована еволюція: як вчені «підштовхують» Rubisco до досконалості

Вчені міт не стали боротися з природою, а вирішили її використовувати. Вони застосували передову технологію, відому якспрямована еволюція, щоб «натренувати » Rubisco, зробивши його більш ефективним і стійким до кисню. Цей процес нагадує відбір найкращих спортсменів: вчені створюють безліч варіантів Rubisco, кожен з яких трохи відрізняється, а потім відбирають ті, які показують найкращі результати.

Замість традиційних методів, які вимагають ручної праці і займають багато часу, команда міт використовувала інноваційну технологію MutaT7. Ця технологія дозволяє проводити мутації та скринінг ферментубезпосередньо в живих клітинах, що значно прискорює процес еволюції. По суті, це так, ніби у спортсмена є особистий тренер, який постійно спостерігає за ним і коригує його тренування, щоб він досяг максимальних результатів.

## Прорив: стійкий до кисню Rubisco

Після шести етапів еволюції вчені виявили три ключові мутації, які значно підвищили стійкість Rubisco до кисню. Ці мутації розташовані поблизу активного центру ферменту-там, де відбувається «зв’язування» вуглекислого газу або кисню. На думку дослідників, ці мутації покращують здатність Rubisco «віддавати перевагу» двоокису вуглецю, що призводить до загального підвищення ефективності фотосинтезу. Це майже так, ніби» важкий » працівник нарешті навчився правильно виконувати свою роботу, уникаючи відволікань і роблячи менше помилок.

«Основне питання тут полягає в наступному: чи можете ви змінити та покращити кінетичні властивості rubisco, щоб він працював краще в умовах, в яких ви хочете, щоб він працював краще?»- каже професор хімії Міт Метью Шоулдерз.

## Що це означає для майбутнього?

Успішне вдосконалення Rubisco — це не просто науковий прорив. Це потенційний ключ до вирішення найактуальніших проблем людства:

• Продовольча безпека:Прискорений фотосинтез може призвести до значного збільшення врожайності сільськогосподарських культур, що допоможе забезпечити продовольством зростаюче населення планети.
• Боротьба зі зміною клімату:Більш ефективний Rubisco дозволить рослинам поглинати більше вуглекислого газу з атмосфери, що допоможе зменшити викиди парникових газів і пом’якшити наслідки зміни клімату.
• Нові технології:Цей прорив відкриває двері для подальших досліджень біоінженерії та розробки нових технологій, заснованих на фотосинтезі.

«Це дійсно відкриває двері для безлічі нових захоплюючих досліджень, і це крок вперед у порівнянні з тими типами інженерних розробок, які в минулому домінували в rubisco engineering», – коментує науковий співробітник Роберт Вілсон.

Вчені mit продовжують працювати над вдосконаленням Rubisco, включаючи версії, знайдені в рослинах. Вони сподіваються, що їх дослідження призведуть до створення «супер-рослин», здатних поглинати більше вуглекислого газу і виробляти більше їжі, що буде мати величезне значення для майбутнього нашої планети.

Посилання:“Directed evolution of ultra-fast Rubisco in vivo in an anoxic environment enhances oxygen tolerance”, Julie L. McDonald, Nathan P. Shapiro, Amanuella A. Mengiste, Sarah Gaines, Spencer M. Whitney, Robert H. Wilson and Matthew D. Shoulders, 30 June 2025, Proceedings of the National Academy of Sciences.

Дослідження частково фінансувалося:Національним науковим фондом, національними інститутами охорони здоров’я, Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab Grand Challenge і стипендією Martin Family Society за сталий розвиток.