Вчені розробили техніку редагування геному хлоропласта, яка значно покращує фотосинтез і ріст рослин шляхом внесення точних змін до ферменту Рубіско, який є ключовим, але відносно неефективним білком, який бере участь у фіксації вуглецю рослинами. Дослідження, опубліковане вКомунікації природи, продемонстрував, що цілеспрямовані редагування підвищили продуктивність фотосинтезу, виробництво біомаси та ефективність -використання води на модельній рослиніArabidopsis thaliana. Ці висновки підкреслюютьпотенційний шлях для вирощування більш продуктивних культур за майбутніх кліматичних умов.
Застосовуючи технологію-редагування основи хлоропласту, дослідники ввели заміни однієї амінокислоти у велику субодиницю Rubisco без включення чужорідної ДНК у геном рослини. Дві специфічні мутації, M309I та D397N, посилили каталітичну активність ферменту, дозволяючи рослинам засвоювати більше вуглецю як за нинішніх, так і за прогнозованих підвищених концентрацій вуглекислого газу в атмосфері. Відредаговані рослини продемонстрували збільшений розмір пагонів і коренів, збільшену площу листя та вищу врожайність насіння при збереженні нормального вмісту Rubisco та хлорофілу.
Ці висновки стосуються давньої проблеми біотехнології рослин. Незважаючи на те, що Rubisco займає центральне місце у фотосинтезі, його відносно повільна каталітична швидкість обмежує продуктивність сільськогосподарських культур протягом десятиліть. Попередні спроби переробити або замінити фермент часто порушували його збірку або сповільнювали ріст рослин. Навпаки, це дослідження демонструє, що невеликі цілеспрямовані модифікації існуючого гена Rubisco можуть підвищити його ефективність, зберігаючи при цьому нормальний розвиток рослин.
Дослідники також помітили, що модифіковані рослини досягли вищої внутрішньої ефективності-використання води, оскільки фотосинтез посилився без необхідності більшого відкриття продихів. Кріо-електронна мікроскопія виявила, що мутації змінили гнучкість ділянок навколо активного центру Rubisco, пропонуючи нове розуміння того, як тонкі структурні зміни можуть покращити функцію ферменту.
Автори дослідження відзначають, що цільові амінокислотні позиції добре збережені для багатьох сільськогосподарських культур, що вказує на те, що цей підхід може бути широко застосований за межамиарабідопсис. Оскільки концентрація CO₂ в атмосфері продовжує зростати, варіанти Rubisco з вищою швидкістю каталізу можуть дозволити культурам підтримувати продуктивність, водночас ефективніше використовуючи воду за все більш складних умов вирощування.
Оскільки процес редагування хлоропластів не залишає чужорідної ДНК у кінцевих рослинах після розмноження, дослідники припускають, що ця технологія може обійти певні регуляторні бар’єри, пов’язані зі звичайними генетично модифікованими культурами в країнах, які визнають генно-відредаговані,-трансгенні-рослини за новими рамками без-ГМО.
