Австралийские ученые создали наноконтейнеры для повышения эффективности фотосинтеза

Преимущества и примеры интеграции естественных и искусственных CCM-компартментов, содержащих Rubisco, в хлоропласты растений. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65307-9

Австралийские исследователи создали микроскопические «офисы» для фермента Rubisco, что может значительно повысить эффективность фотосинтеза у сельскохозяйственных культур, таких как пшеница и рис, одновременно сократив потребление воды и азотных удобрений.

Ученые из группы доцента Ю Хенг Лау в Сиднейском университете и профессора Спенсера Уитни в Австралийском национальном университете пять лет работали над решением фундаментальной проблемы — как заставить растения эффективнее фиксировать углекислый газ.

Команда создала наноразмерные белковые «клетки» (инкапсулины), которые могут содержать фермент Rubisco в ограниченном пространстве. Это позволяет ученым точно настраивать совместимость для будущего использования в сельскохозяйственных культурах, что должно позволить производить больше пищи с меньшими ресурсами. Их исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Рубиско — ключевой фермент фотосинтеза, но он работает медленно и часто ошибочно реагирует с кислородом вместо CO₂. «Эта ошибка настолько распространена, что важные пищевые культуры, такие как пшеница, рис, рапс и картофель, выработали силовое решение: массово производить Rubisco», — объяснила ведущий исследователь доктор Тейлор Шишка.

В некоторых листьях до 50% растворимого белка составляют копии этого одного фермента, что представляет собой огромные энергетические и азотные затраты для растения. «Это основное узкое место в эффективности роста растений», — сказал соавтор исследования Давин Виджая.

Некоторые организмы, такие как водоросли и цианобактерии, решили эту проблему миллионы лет назад, поместив Rubisco в специализированные компартменты с концентрированным CO₂. Ученые годами пытались внедрить эти естественные системы в сельскохозяйственные культуры, но даже простейшие из них структурно сложны.

Австралийская команда использовала более простой подход с инкапсулинами — бактериальными белковыми клетками, для сборки которых нужен всего один ген. Чтобы загрузить Rubisco внутрь, исследователи добавили к ферменту короткую «адресную метку» из 14 аминокислот, которая направляет фермент внутрь собирающегося компартмента.

Доктор Шишка отметила: «Еще одно крутое преимущество нашей системы в том, что она модульная. Карбоксисомы могут упаковывать только свой собственный Rubisco, тогда как наша инкапсулиновая система может упаковывать любой тип».

Доктор Тейлор Шишка из Центра передового опыта в области синтетической биологии ARC и Школы химии Сиднейского университета. Автор: Stefanie Zingsheim/University of Sydney

Исследователи подчеркивают, что это всего лишь доказательство концепции. Сейчас ведутся ранние эксперименты на растениях. Если они окажутся успешными, культуры с этой технологией повышенной фиксации CO₂ смогут давать более высокие урожаи при меньшем потреблении воды и азотных удобрений, что критически важно в условиях изменения климата и роста населения.