Инженерия фотосинтеза и искусственные хлоропласты

Лист переводит в биомассу порядка одного процента падающего солнечного света у большинства C3-культур; C4-растения — в несколько раз больше. Дефицит не в улавливании света — хлорофилл поглощает видимый спектр хорошо, — а в биохимии связывания углерода ниже по цепочке. Почти каждое инженерное направление этой области отвечает на недостатки одного фермента.

Узкое место RuBisCO

Связывание углерода идёт через цикл Кальвина, и его входные ворота — RuBisCO: фермент присоединяет CO2 к рибулозо-1,5-бисфосфату, первому обязательному шагу к сахару. У фермента два изъяна. Он медленный — несколько каталитических оборотов в секунду там, где обычные метаболические ферменты делают тысячи, — и неразборчивый: на том же активном центре кислород конкурирует с CO2, продукт оксигенации 2-фосфогликолат бесполезен и вреден, и клетка вынуждена спасать его через фотодыхание. Это спасение сжигает АТФ и возвращает в атмосферу уже связанный углерод; в жаркую яркую погоду на него уходит пятая часть связанного углерода и больше. Скорость и избирательность связаны обратной зависимостью, и эволюция миллиарды лет двигалась по этой границе — RuBisCO стоит близко к локальному оптимуму, отчего пересадка «улучшенного» фермента от другого организма раз за разом разочаровывала. Растения компенсируют количество: на RuBisCO приходится до половины растворимого белка листа — огромная азотная субсидия, потраченная на то, чтобы возместить леность фермента.

Концентрация CO2 вместо починки фермента

C4-фотосинтез бьёт по проблеме со стороны подачи. Фосфоенолпируват-карбоксилаза, у которой нет оксигеназной реакции, сначала связывает бикарбонат в четырёхуглеродные кислоты в клетках мезофилла; их переносят в клетки обкладки и там декарбоксилируют, заливая окрестности RuBisCO концентрированным CO2 и подавляя фотодыхание. Цена — лишняя АТФ на каждую молекулу CO2, плата разумная, когда света вдоволь. Перенести этот механизм в C3-культуру вроде риса — значит поставить не только ферменты, но и двухклеточную анатомию, разводящую реакции по разным клеткам; трансгенные линии показали частичный C4-поток, а анатомия остаётся нерешённой половиной задачи. Параллельный маршрут заимствует готовые концентраторы — карбоксисомы цианобактерий или пиреноиды водорослей — и пытается вместе с их бикарбонатными насосами встроить их в растительный хлоропласт.

Пересобрать сам цикл

Самый радикальный ответ вовсе отказывается от цикла Кальвина. Синтетический цикл CETCH, собранный вокруг кротонил-КоА-карбоксилазы/редуктазы из примерно семнадцати ферментов, по кинетике обгоняет кальвиновские аналоги; его запустили в бесклеточном «искусственном хлоропласте», где тилакоидные мембраны превращали свет в АТФ и восстановительную силу, потребляемую циклом, внутри микроскопических капель. Демонстрация важна, потому что ломает допущение, будто химия связывания углерода существует только в природном исполнении. Пределы так же поучительны: саморемонта нет, роста нет, стабильность ферментов меряется днями, а не сезонами — лист тратит заметную долю энергетического бюджета на поддержание и перестройку самого себя, капле же это ничего не стоит. Вторая стена — масштаб: капля — не гектар. Теоретический потолок превращения света в биомассу заметно выше того, что даёт любое поле, и закрытие разрыва — вопрос регуляции, дыхания и ремонта, всей экономики организма, а не одного фермента. Именно поэтому инженерия фотосинтеза — проект на десятилетия, а не модернизация продукта. Экономический смысл этого потолка описан в статье биомасса для энергетики.