Znanstvenici su razvili tehniku uređivanja genoma kloroplasta koja značajno poboljšava fotosintezu i rast biljaka uvođenjem preciznih promjena u enzim Rubisco, koji je ključni, ali relativno neučinkovit protein uključen u fiksaciju ugljika u biljkama. Istraživanje, objavljeno uNature Communications, pokazalo je da su ciljane izmjene povećale fotosintetske performanse, proizvodnju biomase i učinkovitost-korištenja vode u modelnoj biljciArabidopsis thaliana. Ovi nalazi ističupotencijalni put za razvoj produktivnijih usjeva u budućim klimatskim uvjetima.
Koristeći tehnologiju-uređivanja baze kloroplasta, istraživači su uveli zamjene jedne aminokiseline u Rubisco veliku podjedinicu bez inkorporiranja strane DNK u biljni genom. Dvije specifične mutacije, M309I i D397N, pojačale su katalitičku aktivnost enzima, omogućujući biljkama da asimiliraju više ugljika pod trenutnim i predviđenim povišenim koncentracijama ugljičnog dioksida u atmosferi. Uređene biljke pokazale su povećanu veličinu izdanaka i korijena, proširenu lisnu površinu i veće prinose sjemena uz održavanje normalnog sadržaja Rubisco i klorofila.
Ovi se nalazi bave dugogodišnjim izazovom u biljnoj biotehnologiji. Iako je Rubisco ključan za fotosintezu, njegova relativno spora katalitička brzina desetljećima je ograničavala produktivnost usjeva. Prijašnji pokušaji redizajniranja ili zamjene enzima često su ometali njegovu montažu ili smanjivali rast biljaka. Nasuprot tome, ova studija pokazuje da male, ciljane modifikacije postojećeg Rubisco gena mogu poboljšati njegovu izvedbu uz očuvanje normalnog razvoja biljke.
Istraživači su također primijetili da su modificirane biljke postigle veću intrinzičnu učinkovitost korištenja vode-kako se fotosinteza povećala bez potrebe za većim otvaranjem stomata. Krio-elektronska mikroskopija otkrila je da su mutacije promijenile fleksibilnost regija koje okružuju Rubiscovo aktivno mjesto, nudeći nove uvide u to kako suptilne strukturne promjene mogu poboljšati funkciju enzima.
Autori studije napominju da su ciljane pozicije aminokiselina visoko očuvane u mnogim poljoprivrednim usjevima, što ukazuje da bi ovaj pristup mogao biti široko primjenjiv izvanArabidopsis. Kako koncentracije CO₂ u atmosferi nastavljaju rasti, Rubisco varijante s bržim katalitičkim brzinama mogu omogućiti usjevima da održe produktivnost uz učinkovitije korištenje vode u sve izazovnijim uvjetima uzgoja.
Budući da proces uređivanja kloroplasta ne ostavlja stranu DNK u konačnim biljkama nakon uzgoja, istraživači sugeriraju da bi ova tehnologija mogla zaobići određene regulatorne prepreke povezane s konvencionalnim genetski modificiranim usjevima u zemljama koje priznaju gene-uređene, transgenske-slobodne biljke u nastajanju bez-GMO okvira.
