Turbózható fotoszintézis?
Néhány biológusnak az az ötlete támadt, hogy a növények hagyományos nemesítése helyett a fotoszintézis hatékonyságát kéne fokozni.
A fotoszintézis olyan anyagcsere-folyamat, melynek során a napfény energiájának felhasználásával szén-dioxidból és vízből szerves anyagok és oxigén képződnek. A növények kb. egymilliárd éve tulajdonították el a fotoszintézis gépezetét a baktériumoktól. Miközben a fotoszintetizáló baktériumok zöme látszólag alig változott, némelyikükben mégiscsak nagy „fejlesztések” mentek végbe. A szén-dioxidot (CO2) sokkal hatékonyabban tudják tápanyagokká alakítani, mint a növények, sokuk még saját nitrogénforrását is elő tudja teremteni. Ha a haszonnövényeket is fel lehetne „szerelni” a modern baktériumokban található fejlettebb gépezettel, a mezőgazdaságban újabb forradalom következhetne be.
Az elképzelés megértéséhez ugorjunk vissza másfél milliárd évet abba az időbe, amikor a fotoszintetizáló baktériumokat bekebelezték a náluk összetettebb sejtek. A rabszolgává tett parányok leszármazottai már nem tudtak önállóan életben maradni, átalakultak a sejt kloroplasztiszként (zöld színtestekként) ismert naperőműveivé. Az algákban és növényekben lévő kloroplasztiszok egyetlen ősi cianobaktériumból származnak.
Ez azért fontos, mert a tengerekben számtalan cianobaktérium él. Ha egyikükben mutáció hatására hatékonyabb fotoszintézis alakul ki, az gyorsabban szaporodik, leszármazottai pedig heteken belül többségbe kerülnek a populációban. Növények esetében akár évtizedekig is eltarthat, mire a mutáció elterjed a populációban.
Az evolúció eltérő sebessége talán magyarázattal szolgálhat arra, hogy miközben a földi légkör CO2-tartalma, a legutóbbi időket leszámítva, az elmúlt egymilliárd évben folyamatosan csökkent, és a cianobaktériumokban elegáns eszközök jöttek létre a változásokhoz való alkalmazkodáshoz, addig a növényvilág csupán „költséges” kompromisszumokra volt képes.
A fotoszintézishez CO2-ra van szükség, amit a növények a kémiai nevének rövidítésével rubisconak nevezett enzim segítségével kötnek meg. Amikor a fotoszintézis kb. kétmilliárd évvel ezelőtt kialakult, a Föld légköre rengeteg CO2-ot tartalmazott, oxigént viszont nem. Amikor a CO2 szintje csökkenni, az oxigéné pedig nőni kezdett, a fotoszintézis hatékonysága érthetően romlani kezdett. A cianobaktériumok azonban „megtalálták a módját” annak, hogy hogyan növeljék ezerszeresére a CO2 szintjét a sejtjeiken belül, és így újra megteremtették maguknak azt az ősi, CO2-ban gazdag légkört, melyben a rubisco kifejlődött. Ezt úgy érték el, hogy az enzimet karboxiszómának nevezett, apró egységekbe (azaz szénkötő enzimet tartalmazó sejtszervecskékbe) zárták. Az ezekben lévő CO szint tovább emelkedik a cianobaktériumok külső sejtmembránjában található különböző, pumpaként működő, szállító fehérjék hatására. Ez a mechanizmus kb. 350-400 millió évvel ezelőtt alakult ki a cianobaktériumokban. Ekkortájt kezdett jelentősen csökkenni a CO2 légköri mennyisége, és ekkoriban kezdték meghódítani a szárazföldet a növények.
Ők azonban más irányba kezdtek fejlődni. A növényekben a rubisco egy némiképp eltérő formája alakult ki, ami ráadásul sokkal lassabban is dolgozik. Ezért a növények zöld színtesteikbe rengeteg enzimet is be kellett „tegyenek”, hogy a fotoszintézis „ésszerű” sebességgel menjen végbe. A növény számára szükséges nitrogén mennyiségének negyed része csak a rubisco előállításához kell.
Az elmúlt kb. 20 millió évben, a zömében a hideg és a mérsékelt égövi növényekre jellemző C3-as típusú fotoszintézistől eltérően, néhány, elsősorban trópusi növény a C4-es típusú fotoszintézises folyamatot „fejlesztette ki” a CO2 hasznosítására. Ez utóbbi meleg, jól megvilágított környezetben hatékonyabb a C3-as típusú fotoszintézisnél. Két fontos gazdasági növény, a délebbről származó kukorica és a köles C4-es növény, és erőfeszítések folynak e tulajdonság más gazdasági növényekbe, pl. a búzába és a rizsbe való bejuttatására.
A New Scientist szerint Dean Price ausztrál molekuláris biológus és kollégái a hagyományos növénynemesítési eljárások helyett egy új megközelítéssel próbálkoznak: haszonnövények kloroplasztiszait akarják feljavítani a cianobaktériumok innovációjával. Leggyorsabban ez úgy érhető el, ha az említett „pumpák” egy részét hozzákapcsolják a zöld színtestekhez. Két „pumpát” is egy-egy gén kódol, ezért ezek növényekbe való bevitele a kutatók szerint megoldható feladat. Ha sikerrel járnak, ami szerintük 3 éven belül várható, a beavatkozás, a számítások szerint, 15–25 százalékkal is felpörgetheti a fotoszintézis sebességét. A hagyományos módszerekkel dolgozó növénynemesítők 3–5 százalékos céljaihoz képest az ausztrál kutatók 15 százaléka igen nagy eredmény lenne.
Még nagyratörőbb cél a modern cianobaktériumok teljes szénkoncentráló mechanizmusánakkloroplasztiszokbavalóbejuttatása. Ehhez azonban kb. 10 gént kéne bevinni a zöld színtestekbe. Elméletileg ez mégis egyszerűbb, mint C4-es típusúvá tenni a növényeket, ahhoz ugyanis akár 100 gént is módosítani kell. Price-ék az Escherichia coli nevű baktériummal kezdik a munkát, és ha ezzel sikeresek, áttérnek a dohányra. Vannak kevésbé optimista kutatók. Andreas Weber német növény-biokémikus szerint a zöld növényekben talán azért nem alakult ki soha a karboxiszómákhoz hasonló szerkezet, mert ezek egy egyelőre ismeretlen ok miatt nem lennének bennük működőképesek. Abban azonban nem kételkedik, hogy a növények nitrogénhez való hozzájutását javítani lehetne.
A nitrogén pl. a fehérjék előállításához, így az enzimműködéshez és a növekedéshez szükséges elem, ám a legtöbb növény csak azokból a nitrogénvegyületekből képes nitrogénhez jutni, melyek a talajban vannak. Ha a növények közvetlenül a légkörből is fel tudnák venni a nitrogént, az óriási előnnyel járna. Egyes fajok, mint a bab és a borsó, már felhasználják a gyökérgümőikben élő nitrogénkötő baktériumokat. Jó lenne, ha ezeket a mikrobákat más haszonnövényekben is munkára lehetne fogni. Miután a kutatók tudják, hogyan kötik meg a baktériumok a légköri nitrogént, a génsebészek most az ezért felelős génjeiket próbálják bejuttatni közvetlenül a növényekbe. Az erre legalkalmasabb helyszínnek a kloroplasztiszok tűnnek. Azért, mert a bakteriális nitrogénkötés génjei valószínűleg leginkább egy bakteriális rendszerben működnének sikerrel. A zöld színtestekben ráadásul számos olyan enzim is található, mely szoros rokonságot mutat a nitrogénkötésben részt vevő enzimekkel. Emiatt talán kevesebb beépítendő génre lenne szükség. Van azonban egy nagy probléma. A nitrogénkötés kulcsenzimjét – a nitrogenázt – az oxigén tönkreteszi, márpedig a fotoszintézis során oxigén keletkezik. Ez akkora gond, hogy egyes fonalas cianobaktériumok esetében, 10 sejtből egy nem is fotoszintetizál, hanem nitrogént köt.
Az Azotobacter nevű baktérium ravasz eljáráshoz folyamodik. Éjszaka köti a nitrogént, nappal pedig a nitrogenázt kémiailag inaktív formává alakítja, hogy ne károsodjon a fotoszintézis során keletkező oxigéntől. Talán egy molekuláris óra is hozzákapcsolható a nitrogénkötő génekhez, és ezek együtt építhetők be a kloroplasztiszokba. Elképzelhető az is, hogy a gének csak a gyökerekben aktiválódnak, ahol nem történik fotoszintézis. A saját nitrogénszükségletüket biztosító növények előállítása nem puszta vágy. Legalább egy nagy cég azon fáradozik, hogy nitrogénkötő enzimeket juttasson be gazdasági növényekbe – állítja Ray Dixon angol molekuláris biológus, a további részleteket titokban tartva.
A fotoszintézis felpörgetése néhány évig még biztosan várat magára, ám ha megvalósul, ugyanolyan hatása lehet,mint az 1960-as évekbeli Zöld Forradalomnak.
