Ученые создают азотфиксирующие зерновые

По мере роста спроса на продовольствие в мире в связи с увеличением населения повышение урожайности полей становится все более жизненно необходимой задачей для сельского хозяйства. Одной из исследовательских групп, озаботившихся данной проблемой, стала команда ученых из Массачусетского технологического института, возглавляемая Кристофером Войгтом (Christopher Voigt). В последние годы группа получила ряд грантов, которые использовала на разработку технологии по внедрению в зерновые культуры гена, отвечающего за фиксацию азота.

Азот является ключевым элементом, необходимым для роста растений. И в то время как бобовые способны самостоятельно получать азот благодаря симбиозу с азотфиксирующими бактериями, такие сельскохозяйственные культуры, как кукуруза, пшеницы и рис этой возможности лишены. В результате их урожайность зависит от добавляемых в поля химических или органических удобрений. При всем при этом до 80% производимых сегодня химических азотных удобрений создаются с помощью процесса Хабера-Боша. Данный процесс весьма энергоемок и требует много топлива, что делает его неэкологичным в условиях изменения климата. Кроме того, азотные удобрения, вымываемые в реки и океаны, становятся причиной серьезных загрязнений окружающей среды, на устранение которых одни США тратят до 157 млрд. долл. каждый год. В-третьих, существует и проблема распределения данных удобрений в мире, поскольку львиная доля из них производится в Северном полушарии крупными индустриальными державами. Высокие транспортные расходы делают азотные удобрения менее доступными особенно для развивающихся стран Южного полушария. Эти экологические и социальные препятствия создают огромные проблемы, в то время как фермерам все еще нужно вносить азот в поля для удовлетворения все растущих потребностей населения.

Команда Кристофера Войгта из Voigt lab поставила перед собой задачу создать азотфиксирующие зерновые культуры. Для этого была сделана ставка на работу с определенным рядом генов в бактериях, фиксирующих азот, получивших название nif-гены. Последние вызывают экспрессию белковых структур, или кластеров нитрогеназы, ответственных за улавливание азота из атмосферы. Если удастся перенести эти гены в зерновые культуры, то фермерам больше не нужно будет тратить средства на приобретение химических удобрений. Однако данная задача очень долгое время считалась весьма трудноосуществимой, поскольку для переноса nif-генов в растения потребуется полная репликация связанных клеточных компонентов. Проблема заключается в том, что микробы, ответственные за фиксацию азота в бобовых являются прокариотами, чья экспрессия генов совершенно иная по сравнению с эукариотами, т.е. растениями. Так, прокариоты организуют свои гены в опероны, отсутствующие и эукариотов. Таким образом внедрение nif-генов в эукариоты равносильно полной перестройке систем последних.

Однако лаборатории Кристофера Войгта удалось найти обходной путь: вместо работы с целой клеткой растения исследователи нацелились на органеллы внутри нее, а именно на хлоропласты и митохондрии. Дело в том, что хлоропласты и митохондрии имеют древнее бактериальное происхождение и когда-то жили независимо от эукариотических клеток, как прокариоты. Миллионы лет назад они были включены в эукариотические системы, как органеллы. Таким образом они уникальны, поскольку обладают собственными генетическими данными и имеют много общего с современными прокариотами. Таким образом они становятся отличными кандидатами для переноса нитрогеназы.

«Гораздо легче совершить перенос от прокариота в прокариото-подобную систему, чем делать полный реинжиринг для переноса в эукариоты», — пояснил Эстер Маер (Eszter Majer), одна из участников проекта.

Помимо генной структуры, эти органеллы обладают дополнительными свойствами, делающими их подходящей средой для функционирования кластеров нитрогеназы. Так, последняя требует много энергии для функционирования, а хлоропласты и митохондрии и так производят достаточное количество энергии в виде аденозинтрифосфата. Кроме того нитрогеназа очень чувствительна к кислороду и не будет функционировать при его избытке. Тем не менее хлоропласты ночью и митохондрии в растениях имеют достаточно низкий уровень кислорода, что делает их почти идеальным местом для работы белка нитрогеназы.

К проекту также присоединились Луис Рубио (Luis Rubio), доцент из Мадридского политехнического университета, являющийся экспертом по нитрогеназе и азотной химии, а также Ральф Бок (Ralph Bock), эксперт по хлоропластам из Института физиологии молекулярных растений им. Макса Планка в Германии. Совместными усилиями ученым удалось добиться весьма обнадеживающих результатов в области воздействия нитрогеназы на митохондрию и смогли экспрессировать полный NifDK-тетрамер (ключевой белок в кластере нитрогеназы) в митохондриях дрожжей. Несмотря на последние успехи, команде предстоит еще много работы, признает Кристофер Войгт.