Bardziej wydajna fotosynteza zwiększa produktywność roślin
Tak jak wszystkie żywe istoty na Ziemi, rośliny są wyposażone w to, czego potrzebują, aby przetrwać. Ani więcej, ani mniej. Dotyczy to na przykład kolczastego kaktusa, chroniącego się przed spragnionymi zwierzętami, ale także fotosyntezy. Większość roślin używa chlorofilu A do czerpania energii z powszechnego czerwonego światła, zwykle nie wykorzystując pozostałych długości fal – po prostu dlatego, że ich nie potrzebują. Ta prosta obserwacja – oraz zrodzona jeszcze w szkole fascynacja tym, że cała nasza żywność i energia pochodzą w pewnym stopniu z fotosyntezy – sprawiła, że dr Daniel Canniffe poświęcił swoją karierę tajemnicom fotosyntezy. Początkowo koncentrując się na szlakach biosyntezy pigmentów, w tym chlorofili, hemów i karotenoidów, postanowił spróbować stworzyć nowe pigmenty, które nie występują w przyrodzie. Jego celem jest poszerzenie zakresu długości fal, z którego może korzystać fotosynteza. „Organizmy, które przeprowadzają fotosyntezę tlenową wykorzystują dwa złożone »fotosystemy« pigmentowo-białkowe w seriach, ale te dwa fotosystemy zbierają te same długości fal”, wyjaśnia dr Canniffe, którego badanie zostało dofinansowane przez program „Maria Skłodowska-Curie”. „Gdybyśmy mogli zaprojektować jeden z dwóch fotosystemów w taki sposób, aby zbierał inny zakres widma słonecznego, przestałyby one konkurować ze sobą o te same fotony, a efektywność zbierania światła prawie by się podwoiła”. Lepsze pozyskiwanie światła oznacza lepsze zbiory, odpowiadając na potrzebę podwojenia plonów na świecie do 2050 r., kiedy to trzeba będzie wyżywić dziewięć miliardów ludzi. Projekt EngiNear-IR poczynił w tym zakresie znaczne postępy. W oparciu o dokonaną przez dr. Canniffe'a biosyntezę fotopigmentu w żywicielu bakteryjnym, projekt miał na celu włączenie tych pigmentów do centrów reakcji roślin, aby stworzyć nowe fotosystemy zdolne do wykorzystywania bliskiej podczerwieni widma słonecznego. „Struktury centrum reakcji z różnych typów organizmów fotosyntetycznych zostały już zobrazowane w bardzo wysokiej rozdzielczości. Dzięki temu można było przewidzieć, jak łatwo różne pigmenty zmieszczą się w kieszeniach białek wypełnionych rodzimymi pigmentami. Następnie można było racjonalnie przeprojektować te białka, zastępując aminokwasy w taki sposób, aby nowe kieszenie osiągnęły odpowiedni rozmiar i kształt. DNA kodujące to przeprojektowane białko może zostać zmodyfikowane w laboratorium, a nawet zamówione bezpośrednio przez firmę syntetyzującą DNA. Można je wprowadzić bezpośrednio do naszych modelowych »fotosyntezatorów« bakteryjnych”, tłumaczy z entuzjazmem dr Canniffe. Dr Canniffe uczestniczył między innymi w odkryciu enzymu odpowiedzialnego za powstawanie chlorofilu F – pigmentu, który pozwala na fotosyntezę tlenową w dalekiej czerwieni – poza zasięgiem widzialnym widma. Pracował też w zespole, który zobrazował strukturę centrum reakcji organizmu wykorzystującego fale bliskiej podczerwieni o długości powyżej 1 000 nm. Jest to najbardziej przesunięty w kierunku czerwieni fotosystem, jaki został odkryty w przyrodzie – do tego stopnia, że można uznać, iż zbiera ciepło, a nie światło. Ostatecznie, badania prowadzone w projekcie EngiNear-IR mogą doprowadzić do stworzenia nowych organizmów do zastosowań biotechnologicznych. „Bakterie zdolne do zbierania większej ilości światła mogą być w stanie usuwać więcej dwutlenku węgla z atmosfery. Mogłyby one wykorzystywać ten związany węgiel do produkcji cukrów, które można z kolei wykorzystać do wytwarzania produktów o wysokiej wartości, takich jak biopaliwa i leki. Poza tym, poprawa fotosyntezy roślin uprawnych może zwiększyć plony i wydłużyć okres wegetacyjny oraz potencjalnie umożliwić uprawę roślin bliżej stref podbiegunowych”, wyjaśnia dr Cannifffe. Chociaż projekt został zakończony w listopadzie 2018 roku, dr Canniffe zapewnia, że on i jego współpracownicy opublikują kolejne ekscytujące wyniki badań.
