有望な植物科学の飛躍的進歩は光合成2.0につながる可能性があります

英国リッチフィールド近郊のトウモロコシ畑。

複雑なタンパク質構造を解明することにより、生物学者は植物の重要なメカニズムを解き明かし、光合成の仕組みを改善し、その結果、収穫量を増やす ことができ ます。

光合成は自然の素晴らしい発明ですが、それは科学者がそれをさらに良くしようとするのを 止めません 。本日Natureで発表された新しい研究は、シェフィールド大学のチームが 、 植物の電気化学反応が植物の成長にどのように大きな影響を与えるかについての新しい洞察をどのように発見したかについて説明しています。研究者たちはこのメカニズムを呼んでい ます 光合成の「鼓動する心臓」。この反応は、光合成中に二酸化炭素を炭水化物に変換する植物の能力を強化するチトクロームb6fとして知られるタンパク質複合体で起こります。シトクロムb6fのこの最初のモデルは、最終的には植物生物学者が利用して、光合成の背後にある力を増強し、イネや小麦などのより堅牢な植物を作り出すことができます。

シェフィールド大学の科学者は、低温電子顕微鏡を使用してタンパク質複合体の高解像度構造モデルを作成しました。科学者たちは、チトクロームb6fの複雑なスパゲッティのような形を理解することで、植物細胞内の光を動力源とするクロロフィルタンパク質のペア間の電気的接続を視覚化することができました。光化学系IおよびIIとして知られるこれらのタンパク質は、太陽光を化学エネルギーに変換する働きをします。

シトクロムb6fタンパク質の構造。

新しいモデルを構築することにより、研究者は、チトクロームb6fがそれを通過する電流をどのように利用するかを確認できました。これは、充電式バッテリーの接続に似たプロセスであるプロトン勾配をパワーアップするために行われます。この「プロトンバッテリー」に蓄えられたエネルギーは、細胞のエネルギー通貨であるアデノシン三リン酸(ATP)を生成するために植物によって使用されます。

研究の共著者であるマット・ジョンソン氏は、ギズモードへの電子メールで、プロトン勾配は「ATPの合成-CO2の炭水化物への変換に必要な必須代謝物」を可能にする「バッテリーのように機能する」と説明しました。「低温電子顕微鏡法によって植物チトクロームb6f複合体の構造を取得しました 。これは、膜を通過するプロトンの数を2倍にする方法で電子伝達[分子]を処理する方法を示しています 。」

ジョンソンは、プロセスの効率を調整する上で重要な役割を果たしていることから、これを「光合成の心臓部」と呼んでいます

「最終的に、この反応は、植物が二酸化炭素を世界の食物連鎖を維持する炭水化物とバイオマスに変えるために必要なエネルギーを提供します」と、研究の最初の著者であり、シェフィールド大学の分子生物学部の博士課程の学生であるローナマローンは述べています。とバイオテクノロジー、声明の中で。

この新しい研究の前に、他の科学者は(ここここで)シトクロムb6fのレベルを微調整することでより大きな植物を育てることが可能であることを示しました—彼らは 時々実験室条件下で植物の成長を30パーセントも高めることができました 。新しい研究は、プロセスがどのように機能するかをさらに明らかにし、最終的には光合成自体を再設計および改善するために使用できる洞察を提供し ます。

「我々は増加し、複雑なb6fチトクロームの構成要素のうちのいくつかは、植物の増加につながっていることを知って、」 植物生物学者アマンダカバナー、新しい研究に関与していなかったイリノイ大学のポスドク研究員は、書いた まで電子メールでギズモード。「しかし、植物からのタンパク質構造がないため、どのコンポーネントを改善の対象にするかを知るのは困難です。これがなければ、化学物質の一部が複合体のどこで起こっているのかを正確に知ることはできませんでした。」

彼女によると、新しい研究は最終的にシトクロムb6fの植物構造を明らかにし、この複合体のどこで作用が起こっているかを示し、それがどのように機能するかについての新しい洞察を提供します。

「この情報により、合成生物学ツールを使用して、この律速段階の光合成の改善を目標とし、重要な食用作物の収量を増やすことができます」とCavanagh氏は述べています。

今年の初めに、Cavanaghは、植物が光呼吸中に生成された有毒な副産物を除去するのを助けるための微調整など、特定の遺伝子改変が光合成をさらに改善する方法を説明する論文 を共同執筆しました。ゆっくりと、しかし確実に、 私たちは母なる自然を改善するために必要な科学的洞察を獲得しています。光合成は良いですが、2050年まで97億人に達すると予想される世界の人口養うことを望むなら、それはもっと良くなる必要があるでしょう。

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