Bacteriële genen kunnen de fotosynthese verbeteren – wissenschaft.de
In het licht van de groeiende wereldbevolking zoeken onderzoekers over de hele wereld naar nieuwe strategieën om de voedselzekerheid te vergroten. Een van die strategieën is het verbeteren van de fotosynthese en daarmee de groei van gewassen. Uit een haalbaarheidsstudie blijkt nu dat het in principe mogelijk is om een kooldioxide-bemestend bacteriesysteem over te brengen naar gewassen om de fotosynthese te versnellen. Hoewel de technologie nog niet gebruiksklaar is, biedt het een basis voor verdere ontwikkelingen.
Tijdens de fotosynthese zetten planten met behulp van zonlicht koolstofdioxide en water om in suiker en zuurstof. Het proces wordt echter beperkt door de inefficiëntie van het Rubico-enzym, dat verantwoordelijk is voor de fixatie van koolstofdioxide. Dit komt omdat de snelheid waarmee Rubisco koolstofdioxide omzet laag is, en het enzym maakt geen adequaat onderscheid tussen koolstofdioxide en zuurstof (O2), wat de efficiëntie nog verder vermindert. Sommige bacteriën omzeilen dit probleem door zogenaamde koolstofdioxideconcentratiemechanismen te ontwikkelen. In de zogenaamde carboxysomen is Rubisco omgeven door een eiwitomhulsel waarin koolstofdioxide is verrijkt. Zo werkt Rubisco efficiënter.
Negen bacteriële genen werden overgedragen
Een team onder leiding van Taiyu Chen van de Universiteit van Liverpool in Groot-Brittannië is er voor het eerst in geslaagd om dit bacteriesysteem in planten om te zetten. Halothiobacillus neapolitanus diende als basis. Negen genen die coderen voor individuele componenten van de carboxysomen. Terwijl de wetenschappers in eerdere experimenten alleen individuele componenten naar planten hadden overgebracht, brachten Chen en zijn collega’s alle negen genen over in de chloroplasten van tabaksplanten.
Inderdaad: “Onze resultaten tonen aan dat carboxysomen van ten minste negen groepen van sclerose en katalytisch actieve rubisco worden gevormd in de chloroplasten van tabaksplanten”, rapporteren de auteurs. De componenten assembleren zichzelf in de tabaksplant om functionele carboxysomen te vormen. Structuuranalyses lieten zien dat de structuur van de carboxysomen in chloroplasten vergelijkbaar is met de normale versie in bacteriën.
Er is nog geen groei in de omringende lucht
Transgene planten die op deze manier worden geproduceerd, kunnen echter niet groeien in normale omgevingslucht met een koolstofdioxidegehalte van ongeveer 440 delen per miljoen (ppm). Als het team echter de concentratie kooldioxide in de lucht verhoogde tot één procent, evolueerden de transgene planten op dezelfde manier als de ongewijzigde controleplanten, zij het iets langzamer. “Er is behoefte aan verdere verbetering van het ontwerp van gebouwen, zodat planten ook in de natuurlijke omgevingslucht kunnen groeien”, zegt het onderzoeksteam. “Maar in ieder geval het kweken van transgene planten met één procent koolstofdioxide geeft aan dat de katalytische activiteiten van gemodificeerde carboxysomen in chloroplasten in wezen de fotosynthese van planten zouden kunnen ondersteunen.”
Hoewel de technologie nog niet gebruiksklaar is, blijkt uit de haalbaarheidsstudie dat overeenkomstige aanpassingen in principe mogelijk zijn. “De transgene lijnen die in deze studie worden gegenereerd, zullen de verdere ontwikkeling van carboxysome engineering vergemakkelijken”, zeggen de auteurs. “Onze studie levert bewijs dat het mogelijk is om volledig functionele CO2-fixers en volledig functionele CO2-concentratiemechanismen in groene makers te ontwikkelen om de fotosynthese en plantproductiviteit te verbeteren.”
Bron: Taiyu Chen (Universiteit van Liverpool, VK) et al., Nature Communications, hier beschikbaar. doi: 10.1038/s41467-023-37490-0
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”