Μια προσέγγιση συνθετικού μεταβολισμού για την ενίσχυση των αποδόσεων των φυτών
Στο «A Essay on the Principle of Population», που δημοσιεύτηκε το 1798, ο Thomas Malthus πρότεινε τη διάσημη ιδέα της παγίδας του πληθυσμού, υποθέτοντας το τέλος της αύξησης του ανθρώπινου πληθυσμού λόγω έλλειψης προσφοράς τροφίμων. Από τότε, έχουμε κάνει αρκετά καλή δουλειά αναβάλλοντας το αναπόφευκτο.
Η διαδικασία Haber-Bosch, που αναπτύχθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα, παρείχε απεριόριστη ποσότητα αζωτούχου λιπάσματος. Η Πράσινη Επανάσταση, στα μέσα του περασμένου αιώνα, αύξησε τις γεωργικές αποδόσεις παγκοσμίως υιοθετώντας παραλλαγές φυτών υψηλής απόδοσης, χρησιμοποιώντας χημικά λιπάσματα και εισάγοντας νέες τεχνικές καλλιέργειας. Μεταξύ 1960 και 2010, οι γεωργικές αποδόσεις συνέχισαν να αυξάνονται σταθερά. για παράδειγμα, η μέση αύξηση της απόδοσης του σιταριού κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ήταν ~170%.
Ωστόσο, για να τροφοδοτηθεί ένας παγκόσμιος πληθυσμός ~10 δισεκατομμυρίων μέχρι το έτος 2050, αυτός ο ρυθμός αύξησης της απόδοσης δεν είναι αρκετός. Αυτή η ανεπάρκεια επιδεινώνεται περαιτέρω από το περιβαλλοντικό κόστος της επέκτασης της αρόσιμης γης σε βάρος των φυσικών οικοτόπων και από τη συνεχή διάβρωση της επισιτιστικής ασφάλειας ως αποτέλεσμα της κλιματικής αλλαγής, της ανισότητας στη διανομή τροφίμων, της αναδιανομής των γεωργικών προϊόντων σε άλλες βιομηχανίες (π.χ. βιοκαύσιμα). και κοινωνικοοικονομική αστάθεια.
Για να αποφύγουμε τον παγκόσμιο λιμό, πρέπει να βελτιώσουμε δραστικά τις γεωργικές αποδόσεις σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Καθώς οι παλιές μέθοδοι αύξησης της αγροτικής παραγωγικότητας φαίνονται να πλησιάζουν τα όριά τους, μια τέτοια ώθηση της απόδοσης μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με χειραγώγηση διαδικασιών που παρέμειναν σε μεγάλο βαθμό ανέγγιχτες μέχρι τώρα. Το πιο σημαντικό από αυτά είναι η μετατροπή του αναχαιτισμένου φωτός σε φυτική βιομάζα, μια διαδικασία που σήμερα λειτουργεί με χαμηλή απόδοση ~2%.
Μπορεί να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι μια τέτοια κεντρική διαδικασία είναι τόσο αναποτελεσματική. Μπορεί επίσης να προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι μπορούμε να βελτιώσουμε μια διαδικασία που αναμένεται να βρίσκεται κάτω από την τεράστια επιλεκτική πίεση εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών. Ωστόσο, πρέπει να θυμόμαστε ότι οι συνθήκες που χρησιμοποιούμε για τη γεωργική καλλιέργεια είναι αρκετά διαφορετικές από εκείνες που βιώνουν τα φυτά στη φύση. Η φυσική επιλογή ήταν απίθανο να αυξήσει τις αποδόσεις υπό τις άνετες συνθήκες που παρέχουμε και αντ 'αυτού πιθανότατα βελτίωσε την ανάπτυξη υπό τις αγχωτικές, περιορισμένες σε πόρους συνθήκες που υπάρχουν στη φύση. Επιπλέον, η εξέλιξη, που λειτουργεί ως τεχνίτης, περιορίζεται σε έναν μάλλον μικρό αριθμό στοιχείων, η βελτιστοποίηση των οποίων έχει τα όριά της. Από την άλλη πλευρά, εμείς, ως μηχανικοί, μπορούμε να εξετάσουμε λύσεις που δεν θα μπορούσαν να εξελιχθούν εύκολα, αλλά που μπορούν να ενισχύσουν την παραγωγικότητα κάτω από ειδικά ελεγχόμενες συνθήκες.
Ακολουθώντας αυτή την ιδέα, πολλά έργα συνθετικής βιολογίας τα τελευταία χρόνια μπόρεσαν να αυξήσουν την απόδοση των φυτών βελτιστοποιώντας είτε τις «αντιδράσεις φωτός» - μια σύνθεση των μορίων αποθήκευσης ενέργειας ATP και NADPH από το φως - ή τις «σκοτεινές αντιδράσεις» - δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα σε οργανική ύλη χρησιμοποιώντας ATP και NADPH. Αυτή η επιτυχία είναι πολύ ενθαρρυντική, αλλά μάλλον μπορούμε να τα καταφέρουμε ακόμα καλύτερα. Μέχρι στιγμής, οι προσπάθειες μηχανικής επικεντρώθηκαν στην τροποποίηση της δραστηριότητας ενός μικρού συνόλου υπαρχόντων συστατικών ή στον εμβολιασμό φυσικών μεταβολικών οδών στα φυτά. Ωστόσο, δεδομένης της συνδυαστικής φύσης των βιολογικών διεργασιών, η προσθήκη μόνο ενός νέου συστατικού μπορεί να επεκτείνει δραματικά τον χώρο της λύσης, αξιοποιώντας έτσι πλήρως τις δυνατότητες της συνθετικής βιολογίας.
Για να το θέσω με πιο συγκεκριμένους όρους, εάν δεν περιορίσουμε τη μηχανική μας στις υπάρχουσες ενζυματικές δραστηριότητες και αντ' αυτού λάβουμε υπόψη τις μεταβολικές μετατροπές που δεν υποστηρίζονται από γνωστά ένζυμα, μπορούμε να αξιοποιήσουμε πλήρως τον χώρο (βιο)χημικών λύσεων και να εντοπίσουμε τα καλύτερα μονοπάτι για την ενίσχυση της στερέωσης του άνθρακα. Για να υλοποιήσουμε μια τόσο καινοτόμο λύση, πρέπει να συνδυάσουμε το πεδίο της μηχανικής ενζύμων με αυτό της μηχανικής μεταβολισμού, ενσωματωμένο για να προσφέρει μια προσέγγιση «συνθετικού μεταβολισμού».
Μία από τις μεταβολικές διεργασίες που περιορίζει σοβαρά την αποτελεσματικότητα της στερέωσης του άνθρακα είναι η φωτοαναπνοή. Η φωτοαναπνοή είναι υπεύθυνη για την ανακύκλωση του απόβλητου υποπροϊόντος 2-φωσφογλυκολικό, το οποίο παράγεται από μια μη παραγωγική αντίδραση του Rubisco – του βασικού ενζύμου δέσμευσης του άνθρακα – με το οξυγόνο. Παρά το γεγονός ότι έχει ένα βασικό μεταβολικό έργο, η φυσική φωτοαναπνοή είναι αναποτελεσματική στην κατανάλωση ενέργειας και, το πιο σημαντικό, με την απελευθέρωση CO2 που εξουδετερώνει άμεσα τη στερέωση του άνθρακα. Προηγούμενες μελέτες, περιορισμένες σε υπάρχοντα ένζυμα και μεταβολικές οδούς, έδειξαν ότι μια μεταβολική ανασύνδεση της φωτοαναπνοής προς την καλύτερη χρήση των πόρων και το CO2 η ανακύκλωση μπορεί να ενισχύσει τη στερέωση του άνθρακα και τη φωτοσύνθεση. Ωστόσο, σε όλες αυτές τις προηγούμενες προσπάθειες, το CO2 κυκλοφόρησε ακριβώς όπως στην εγγενή φωτοαναπνοή.
Για να ελαχιστοποιήσουμε πραγματικά τις δυσμενείς επιπτώσεις της φωτοαναπνοής, πρέπει να αποτρέψουμε την αντιπαραγωγική απελευθέρωση του CO2 . Ωστόσο, αυτό δεν είναι δυνατό χρησιμοποιώντας μόνο υπάρχοντα ένζυμα και μονοπάτια.
Ως εκ τούτου, στο έργο Future Agriculture, που χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή στο πλαίσιο του προγράμματος FET Open, στοχεύουμε να εφαρμόσουμε μια προσέγγιση «συνθετικού μεταβολισμού» για την επίλυση του προβλήματος της φωτοαναπνοής. Ξεκινήσαμε με ένα in silico μελέτη για τον εντοπισμό πολλά υποσχόμενων μεταβολικών οδών, που αποτελούνται τόσο από γνωστές όσο και από νέες στη φύση αντιδράσεις, που μπορούν να αντικαταστήσουν τη φωτοαναπνοή χωρίς να απελευθερώνουν CO2 . Χρησιμοποιώντας ένα υπολογιστικό μοντέλο, δείξαμε ότι οι νέες συνθετικές οδοί θα μπορούσαν ενδεχομένως να ενισχύσουν τον ρυθμό στερέωσης του άνθρακα σε όλο το φυσιολογικό εύρος ακτινοβολίας και CO2 . Στο in vitro συστατικό, εφαρμόσαμε τεχνικές ενζυμικής μηχανικής για την ανάπτυξη ενζύμων για να καταλύσουμε τις νέες αντιδράσεις ενός από τα πολλά υποσχόμενα μονοπάτια. Συγκεκριμένα, κατασκευάσαμε δύο νέα ένζυμα που μαζί μετατρέπουν το φωτοαναπνευστικό ενδιάμεσο γλυκολικό άλας σε μια ένωση που ονομάζεται γλυκολαλδεΰδη, η οποία μπορεί να αφομοιωθεί στη διαδικασία στερέωσης του άνθρακα χρησιμοποιώντας υπάρχοντα ένζυμα και χωρίς απώλεια άνθρακα.
Συνδυάζοντας τα επεξεργασμένα ένζυμα με τα υπάρχοντα σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα, μπορέσαμε να αποδείξουμε τη μετατροπή του γλυκολικού σε 1,5-διφωσφορική ριβουλόζη – το υπόστρωμα του Rubisco – δείχνοντας έτσι ότι η φωτοαναπνοή μπορεί να παρακαμφθεί χωρίς απώλεια άνθρακα. Δεν είναι, φυσικά, το τέλος της ιστορίας. Αυτήν τη στιγμή εργαζόμαστε στο in vivo υλοποίηση της διαδρομής. Αρχικά, σκοπεύουμε να εφαρμόσουμε το μονοπάτι στο μοντέλο βακτηρίου Escherichia coli ώστε να μπορούμε να δοκιμάσουμε και να βελτιστοποιήσουμε τη δραστηριότητά του σε έναν κεντρικό υπολογιστή που μπορεί να χειριστεί εύκολα. Στη συνέχεια, η οδός θα εκφραστεί σε κυανοβακτήρια - τον απλούστερο φωτοσυνθετικό οργανισμό - για να δοκιμαστεί η επίδρασή του στη στερέωση του άνθρακα. Τέλος, η οδός θα εφαρμοστεί σε ανώτερα φυτά και θα παρακολουθούνται οι φαινότυποι ανάπτυξης, με την ελπίδα να επιτευχθεί σημαντική αύξηση της φωτοσύνθεσης και της απόδοσης.
Το έργο FutureAgriculture παρέχει έτσι μια πρώτη ένδειξη ότι μια προσέγγιση «συνθετικού μεταβολισμού» – ενσωμάτωση της μηχανικής ενζύμων με τη μεταβολική μηχανική – μπορεί να ξαναγράψει μια από τις πιο κεντρικές διαδικασίες της φύσης και να προσφέρει βελτιώσεις που είναι αδύνατες χρησιμοποιώντας υπάρχοντα ένζυμα και μονοπάτια. Καθώς το πεδίο συνεχίζει να προοδεύει, είμαστε βέβαιοι ότι θα γίνουμε μάρτυρες της εμφάνισης του «συνθετικού μεταβολισμού» ως ζωτικού εργαλείου που παραβιάζει τα όρια της φύσης.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Daring metabolic designs for ενισχυμένη στερέωση του άνθρακα στα φυτά, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Plant Science , και στο άρθρο με τίτλο Design and in vitro realization of carbon-conserving photorespiration, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Proceeding of National Academy and Science.
Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Arren Bar-Even από το Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology, τον Dan Tawfik από το Weizmann Institute of Science και τον Tobias Erb από το Max Planck Institute of Terrestrial Microbiology.
Αναφορές:
- Σχεδιασμός και in vitro υλοποίηση φωτοαναπνοής που συντηρεί τον άνθρακα, PNAS
- Τολμηρά μεταβολικά σχέδια για ενισχυμένη στερέωση φυτικού άνθρακα, Plant Science https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168945217310312)
- Συνθετικός μεταβολισμός:η μεταβολική μηχανική συναντά τον σχεδιασμό ενζύμων, Τρέχουσα γνώμη στη Χημική Βιολογία https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1367593116302071)
- Ιστότοπος του έργου FutureAgriculture:http://www.futureagriculture.eu/
