식물의 탄소 집중 메커니즘에 대한 컴퓨터 모델은 작물 수확량을 높이는 새로운 접근 방식을 열 수 있습니다.

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프린스턴 대학교

이미지: 새로운 연구는 빠르게 성장하는 조류 종의 전략을 밀과 쌀과 같은 식물에 통합함으로써 작물 수확량을 증가시키는 방법을 식별합니다. 더보기 크레딧: 픽사베이

새로운 연구는 빠르게 성장하는 녹조류 종에서 채택한 전략을 통합하여 작물 성장을 촉진할 수 있는 틀을 제공합니다. Chlamydomonas reinhardtii로 알려진 조류는 조류가 공기에서 흡수하는 탄소를 유기체가 성장에 사용할 수 있는 형태로 빠르게 전환시키는 피레노이드라는 세포 소기관을 포함합니다. 발표된 연구에서 2022년 5월 19일 Nature Plants 저널에서 연구원들은 프린스턴 대학교 그리고 노스웨스턴 대학교 분자 모델링을 사용하여 탄소 고정을 향상시키는 데 가장 중요한 피레노이드의 기능을 식별한 다음 이 기능을 작물에 적용할 수 있는 방법을 매핑했습니다.

이것은 단순한 학문적 훈련이 아닙니다. 오늘날 많은 사람들에게 음식 칼로리의 대부분은 수천 년 전에 길들여진 작물에서 나옵니다. 그 이후로 관개, 비료, 번식 및 농업 산업화의 발전은 급증하는 인구를 먹여 살리는 데 도움이 되었습니다. 그러나 지금까지는 이러한 기술에서 점진적인 이익만 얻을 수 있습니다. 한편, 세계 인구의 대부분이 이미 위기 수준에 있는 식량 불안정은 기후 변화로 인해 악화될 것으로 예상됩니다.

새로운 기술은 이러한 추세를 역전시킬 수 있습니다. 많은 과학자들은 조류 피레노이드가 바로 그러한 혁신을 제공한다고 믿습니다. 과학자들이 밀과 쌀과 같은 식물에 탄소를 집중시키는 피레노이드와 같은 능력을 조작할 수 있다면 이러한 중요한 식량 공급원은 성장률을 크게 높일 수 있습니다.

“이 연구는 탄소 농축 메커니즘을 주요 작물을 포함한 식물에 엔지니어링하기 위한 명확한 지침을 제공합니다”라고 말했습니다. 마틴 조니카스연구의 수석 저자이자 프린스턴 대학 분자 생물학 부교수이자 조사자 하워드 휴즈 의학 연구소에서.

Chlamydomonas reinhardtii는 CO2를 유기 탄소로 전환하는 것을 촉매하는 효소 Rubisco의 작용으로 탄소 고정을 달성합니다.

육상 플랜트도 탄소 고정을 달성하기 위해 Rubisco를 사용하지만, 대부분의 플랜트에서 Rubisco는 더 빠르게 작동하기에 충분한 CO2에 접근할 수 없기 때문에 이론적 용량의 약 1/3에서만 작동합니다. 따라서 탄소 농축 메커니즘, 특히 시아노박테리아와 클라미도모나스에서 발견되는 탄소 농축 메커니즘을 연구하는 데 많은 노력을 기울였으며 궁극적으로 육상 작물에 이 기능을 제공할 수 있기를 희망했습니다. 하지만 문제가 있습니다.

“피레노이드의 구조와 많은 구성 요소가 알려져 있지만, 그 메커니즘에 대한 주요 생물물리학적 질문은 정량적 및 체계적인 분석의 부족으로 인해 여전히 답이 없습니다.”라고 수석 공동 저자가 말했습니다. 네드 윈그린Princeton’s Howard A. 생명 과학 전임 교수이자 분자 생물학 교수이자 Lewis-Sigler 통합 유전체학 연구소.

조류 피레노이드 탄소 농축 메커니즘이 작동하는 방식에 대한 통찰력을 얻기 위해 프린스턴 대학원생 첸이 페이 공동 저자의 도움으로 피레노이드의 계산 모델을 개발하기 위해 2020년 학부 Alexandra Wilson과 협력 나일 망간노스웨스턴 대학교 공학 및 응용 수학 조교수.

이전 연구에서는 Chlamydomonas reinhardtii 피레노이드가 피레노이드 세관이라고 하는 막으로 둘러싸인 돌출부의 맥관구조가 가로지르는 구형 Rubisco 매트릭스로 구성되어 있으며 전분으로 만든 외피로 둘러싸여 있음을 보여주었습니다. 환경에서 흡수된 CO2는 중탄산염으로 변환된 다음 세뇨관으로 운반되어 피레노이드로 들어가는 것으로 생각됩니다. 세뇨관에 존재하는 효소는 중탄산염을 CO2로 다시 전환시킨 다음 Rubisco 매트릭스로 확산합니다. 그런데 이 그림이 완성된 것일까요?

Wingreen은 “우리 모델은 CO2가 Rubisco가 작동하기 전에 피레노이드에서 빠르게 다시 누출되기 때문에 피레노이드 탄소 농축 메커니즘에 대한 이러한 기존의 그림이 작동할 수 없음을 보여줍니다.”라고 말했습니다. “대신, 피레노이드 주변의 전분 껍질은 Rubisco로 피레노이드에 CO2를 가두는 확산 장벽 역할을 해야 합니다.”

이 확산 장벽을 확인하는 것 외에도 연구원의 모델은 CO2 농도에 필요한 다른 단백질과 구조적 특징을 정확히 지적했습니다. 이 모델은 또한 필요하지 않은 구성 요소를 식별하여 엔지니어링 피레노이드 기능을 식물에 더 간단한 작업으로 만들어야 합니다. 연구자들은 이 단순화된 피레노이드 모델이 실제 세포 소기관과 유사하게 행동한다는 것을 보여주었습니다.

“Fei, Wilson 및 동료들이 개발한 새로운 모델은 게임 체인저입니다.”라고 Princeton 과학자들과 함께 일했지만 이 연구에 참여하지 않은 에든버러 대학의 식물 분자 생리학 및 합성 생물학 전문가인 Alistair McCormick은 말했습니다. 공부하다.

McCormick은 “Chlamydomonas 탄소 농축 메커니즘을 시아노박테리아에서 발견되는 메커니즘과 구별하는 이 논문의 주요 발견 중 하나는 활성 중탄산염 수송체를 도입할 필요가 없을 수도 있다는 것입니다.”라고 말했습니다. “활성 중탄산염 수송이 생물물리학적 탄소 농축 메커니즘 엔지니어링의 발전을 방해하는 핵심 과제였기 때문에 이것은 중요합니다.”

Chenyi Fei, Alexandra T. Wilson, Niall M. Mangan, Ned S. Wingreen 및 Martin의 “피레노이드 기반 CO2 농축 메커니즘 모델링은 작동 원리에 대한 통찰력과 작물 엔지니어링 로드맵을 제공합니다”라는 연구 C. Jonikas는 Nature Plants에 게재되었습니다.

이 연구에 대한 자금 지원은 국립 보건원, 국립 과학 재단, 시몬스 재단 및 하워드 휴즈 의학 연구소에서 제공했습니다.

신문

자연 식물

DOI

10.1038/s41477-022-01153-7

연구 방법

전산 시뮬레이션/모델링

기사 제목

피레노이드 기반 CO2 농축 메커니즘을 모델링하면 작동 원리에 대한 통찰력과 작물 엔지니어링 로드맵 제공

기사 발행일

2022년 5월 19일

COI 진술

저자는 경쟁 이익이 없음을 선언합니다.

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