Remiantis MIT chartija, sudaryta 1861 m., Instituto misija yra skatinti „mokslo plėtrą ir praktinį taikymą, susijusį su menais, žemės ūkiu, gamyba ir prekyba“. Šiandien Abdul Latif Jameel vandens ir maisto sistemų laboratorija (J-WAFS) yra viena iš varomųjų jėgų, skatinančių su vandeniu ir maistu susijusius tyrimus miestelyje, kurių didžioji dalis yra susiję su žemės ūkiu. 2022 m. J-WAFS įsteigė „Water and Food Grand Challenge Grant“, siekdama įkvėpti MIT mokslininkus siekti, kad mūsų besikeičiančios planetos ateitis būtų saugi vandeniui ir maistu. Kitaip nei MIT Climate Grand Challenge, J-WAFS Grand Challenge siekia panaudoti kelias kompetencijos sritis, programas ir instituto išteklius. Pradinis kvietimas pareikšti interesus grąžino 23 MIT tyrėjų laiškus, apimančius 18 skyrių, laboratorijų ir centrų. J-WAFS surengė seminarus, kuriuose siūlytojai pristatė ir aptarė savo pradines idėjas. Jie buvo įtraukti į mažesnį pakviestų koncepcijų straipsnių rinkinį, po kurio sekė galutinis pasiūlymo etapas.
Šiandien J-WAFS su malonumu praneša, kad inauguracinė J-WAFS Grand Challenge Grant buvo suteikta mokslininkų komandai, kuriai vadovauja profesorius Mattas Shouldersas ir mokslininkas Robertas Wilsonas iš Chemijos katedros. Ekspertų grupė, išorės apžvalgininkai labai pritarė jų pasiūlymui, kuriuo sprendžiama ilgalaikė pasėlių biologijos problema – kaip fotosintezę padaryti veiksmingesnę. Komanda gaus 1,5 milijono JAV dolerių per trejus metus, kad palengvintų daugiapakopį mokslinių tyrimų projektą, kuris sujungia pažangiausias sintetinės ir skaičiavimo biologijos naujoves. Jei šis projektas bus sėkmingas, jis galėtų suteikti didelės naudos žemės ūkiui ir maisto sistemoms visame pasaulyje.
„Maisto sistemos yra pagrindinis pasaulinių šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimo šaltinis, be to, jos vis labiau pažeidžiamos klimato kaitos poveikiui. Štai kodėl kai kalbame apie klimato kaitą, turime kalbėti apie maisto sistemas ir atvirkščiai“, – sako Maria T. Zuber, MIT viceprezidentė tyrimams. „J-WAFS yra pagrindinis MIT pastangos spręsti tarpusavyje susijusias klimato, vandens ir maisto problemas. Šia nauja dotacijų programa siekiama paskatinti naujoviškus projektus, kurie turės realų ir reikšmingą poveikį vandeniui ir maistui. Sveikinu profesorių Shouldersą ir likusią tyrėjų grupę tapus šios stipendijos inauguraciniais gavėjais.
Pečiai dirbs su biologinės inžinerijos docentu Bryanu Brysonu, chemijos docentu Bin Zhangu ir Biologijos katedros bei Whitehead biomedicininių tyrimų instituto profesore Mary Gehring. Robertas Wilsonas iš Shoulders laboratorijos koordinuos tyrimų pastangas. MIT komanda dirbs su išorės bendradarbiais Spenceriu Whitney, Australijos nacionalinio universiteto profesoriumi ir Ahmedu Badranu, Scripps tyrimų instituto docentu. Taip pat bus bendradarbiaujama su Stephenu Longu, Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign profesoriumi. Grupę sudaro nuolatinės kryptingos evoliucijos, mašininio mokymosi, molekulinės dinamikos modeliavimo, transliacinės augalų biochemijos ir lauko bandymų ekspertai.
„Šiuo projektu siekiama iš esmės pagerinti RuBisCO fermentą, kurį augalai naudoja anglies dioksidui paversti energetinėmis molekulėmis, kurios sudaro mūsų maistą“, – sako J-WAFS direktorius Johnas H. Lienhardas V. „Ši sudėtinga problema yra tikras didžiulis iššūkis. reikalaujantis didelių išteklių. Su J-WAFS parama šis ilgai siektas tikslas pagaliau gali būti pasiektas pasitelkus pažangiausius MIT tyrimus“, – priduria jis.
RuBisCO: Ne, tai ne nauji pusryčių dribsniai; tai tiesiog gali būti raktas į žemės ūkio revoliuciją
Augantis pasaulio gyventojų skaičius, klimato kaitos padariniai ir socialiniai bei politiniai konfliktai, tokie kaip karas Ukrainoje, kelia grėsmę maisto, ypač grūdinių kultūrų, tiekimui. Dabartinėse prognozėse teigiama, kad per ateinančius 30 metų augalininkystės produkcija turi padidėti bent 50 procentų, kad būtų patenkinti maisto poreikiai. Viena iš pagrindinių kliūčių padidinti pasėlių derlių yra fotosintezės fermentas, vadinamas ribulozės-1,5-bisfosfato karboksilaze / oksigenaze (RuBisCO). Fotosintezės metu augalai naudoja iš šviesos surinktą energiją anglies dioksidui (CO2) iš atmosferos ir paverčia jį cukrumi ir celiulioze augimui, o šis procesas vadinamas anglies fiksavimu. RuBisCO yra būtinas norint užfiksuoti CO2 iš oro pradėti CO konversiją2 į daug energijos turinčias molekules, tokias kaip gliukozė. Ši reakcija vyksta per antrąjį fotosintezės etapą, dar žinomą kaip Kalvino ciklas. Be RuBisCO negalėtų įvykti cheminės reakcijos, kurios lemia beveik visą anglies gavimą gyvenime.
Deja, RuBisCO turi biocheminių trūkumų. Pažymėtina, kad fermentas veikia lėtai. Daugelis kitų fermentų gali apdoroti tūkstantį molekulių per sekundę, tačiau chloroplastuose esantis RuBisCO fiksuoja mažiau nei šešias anglies dioksido molekules per sekundę, dažnai ribodamas augalų fotosintezės greitį. Kita problema yra ta, kad deguonis (O2) molekulės ir anglies dioksido molekulės yra gana panašios savo forma ir cheminėmis savybėmis, o RuBisCO negali visiškai atskirti šių dviejų. Netyčia RuBisCO fiksavus deguonį prarandama energija ir anglies dioksidas. Be to, esant aukštesnei temperatūrai, RuBisCO dar dažniau reaguoja su deguonimi, todėl mūsų klimatui šylant sumažės daugelio pagrindinių kultūrų fotosintezės efektyvumas.
Mokslinis sutarimas yra tas, kad genų inžinerijos ir sintetinės biologijos metodai gali pakeisti fotosintezę ir apsaugoti nuo derliaus praradimo. Iki šiol javų RuBisCO inžinerija buvo sutrikdyta dėl technologinių kliūčių, kurios apribojo bet kokią sėkmę žymiai padidinti augalininkystę. Įdomu tai, kad genų inžinerijos ir sintetinės biologijos įrankiai dabar yra tokioje vietoje, kur jas galima pritaikyti ir išbandyti, siekiant sukurti pasėlius su naujais arba patobulintais biologiniais būdais, kad būtų galima gaminti daugiau maisto augančiam gyventojui.
Epas kovos su maisto trūkumu planas
2023 m. J-WAFS Grand Challenge projekte bus naudojami moderniausi, transformuojantys baltymų inžinerijos metodai, paimti iš biomedicinos, siekiant pagerinti fotosintezės biochemiją, ypač sutelkiant dėmesį į RuBisCO. Shouldersas ir jo komanda planuoja sukurti tai, ką jie vadina patobulintos fotosintezės pasėliuose (EPiC) platforma. Įgyvendinant projektą bus tobulinamas ir suprojektuotas geresnis pasėlių RuBisCO laboratorijoje, o po to bus patvirtinti patobulinti fermentai augaluose, galiausiai patobulintas RuBisCO bus naudojamas lauko bandymuose, siekiant įvertinti poveikį pasėlių derliui.
Keletas naujausių pokyčių leidžia sukurti didelio našumo pasėlių RuBisCO projektavimą. Norint tinkamai surinkti ir veikti gamyklose, RuBisCO reikalingas sudėtingas palydovų tinklas. Šaperonai yra tarsi pagalbininkai, kurie vadovauja baltymams jų brendimo metu, apsaugo juos nuo agregacijos ir koordinuoja teisingą jų surinkimą. Wilsonas ir jo bendradarbiai anksčiau atrakino galimybę rekombinantiniu būdu gaminti augalinį RuBisCO už augalų chloroplastų ribų, rekonstruodami šį chaperonų tinklą Escherichia coli (E. coli). Whitney dabar nustatė, kad naudojant šią technologiją taip pat galima išreikšti RuBisCO fermentus iš įvairių žemės ūkiui svarbių kultūrų, įskaitant bulves, morkas, braškes ir tabaką. Whitney ir Wilson toliau plėtojo nuo RuBisCO priklausomų gaminių asortimentą E. coli ekranai, galintys nustatyti patobulintą RuBisCO iš sudėtingų genų bibliotekų. Be to, Shouldersas ir jo laboratorija sukūrė sudėtingas in vivo mutagenezės technologijas, kurios įgalina veiksmingas nuolatines kryptingas evoliucijos kampanijas. Nuolatinė nukreipta evoliucija reiškia baltymų inžinerijos procesą, kuris gali vienu metu paspartinti natūralios evoliucijos etapus nenutrūkstamame cikle laboratorijoje, leidžiantį greitai išbandyti baltymų sekas. Nors Shoulders ir Badran turi ankstesnės patirties dirbant su pažangiausiomis nukreiptos evoliucijos platformomis, tai bus pirmas kartas, kai nukreipta evoliucija bus pritaikyta RuBisCO iš augalų.
Dirbtinis intelektas keičia tyrėjų fermentų inžinerijos metodus. Pagrindiniai tyrėjai Zhang ir Bryson panaudos šiuolaikinius skaičiavimo metodus, kad imituotų RuBisCO struktūros dinamiką ir ištirtų jos evoliucinį kraštovaizdį. Konkrečiai, Zhang naudos molekulinės dinamikos modeliavimą, kad imituotų ir stebėtų baltymo ir jo užprogramuotos aplinkos konformacinę dinamiką laikui bėgant. Šis metodas padės komandai įvertinti mutacijų ir naujų cheminių funkcijų poveikį RuBisCO savybėms. „Bryson“ naudos dirbtinį intelektą ir mašininį mokymąsi, kad „RuBisCO“ veiklos aplinkoje ieškotų optimalių sekų. EPiC platformos skaičiavimo ir biologinės dalys dirbs kartu, kad patvirtintų ir informuotų vienas kito metodus, kad paspartintų bendras inžinerines pastangas.
Pečiai ir grupė panaudos savo sukurtus fermentus tabako augaluose, kad įvertintų jų poveikį augimui ir derliui, palyginti su natūraliu RuBisCO. Gehringas, augalų biologas, padės patikrinti patobulintus RuBisCO variantus naudojant tabako veislę Nicotiana benthamianaI, kur galima panaudoti trumpalaikę išraišką. Laikinoji išraiška yra greitas būdas patikrinti, ar nauji inžineriniai RuBisCO variantai gali būti tinkamai susintetinti lapų chloroplastuose. Variantai, kurie atitiks šį MIT kokybės kontrolės tašką, bus perduoti Australijos nacionalinio universiteto Whitney laboratorijai, kad ji būtų stabiliai transformuota į Nicotiana tabacum (tabakas), leidžianti patikimai išmatuoti fotosintezės pagerėjimą. Paskutiniame etape profesorius Longas iš Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign atliks perspektyviausių variantų lauko bandymus.
Net nedideli patobulinimai gali turėti didelį poveikį
Įprasta kritika dėl pastangų tobulinti RuBisCO yra ta, kad natūrali evoliucija dar nenustatė geresnio fermento, o tai gali reikšti, kad jo nebus. Tradiciniai požiūriai spėliojo katalizinį kompromisą tarp RuBisCO specifiškumo koeficiento CO.2 / O2 palyginti su jo CO2 fiksavimo efektyvumą, todėl manoma, kad specifiškumo faktoriaus patobulinimus gali kompensuoti dar lėtesnė anglies fiksacija arba atvirkščiai. Šis kompromisas buvo pasiūlytas siekiant paaiškinti, kodėl natūrali evoliucija buvo lėta, kad būtų pasiektas geresnis RuBisCO. Tačiau Shoulders ir komanda yra įsitikinę, kad EPiC platforma gali atskleisti reikšmingus bendrus RuBisCO gamyklos patobulinimus. Šią nuomonę patvirtina faktas, kad Wilsonas ir Whitney anksčiau naudojo kryptingą evoliuciją, kad pagerintų CO.2 fiksavimo efektyvumas 50 procentų RuBisCO iš cianobakterijų (senovinių augalų chloroplastų pirmtakų), tuo pačiu padidinant specifiškumo koeficientą.
EPiC tyrėjai tikisi, kad jų pradiniai variantai gali 20 procentų padidinti RuBisCO specifiškumo koeficientą, nepakenkiant kitiems katalizės aspektams. Sudėtingesni variantai galėtų ištraukti RuBisCO iš evoliucinių spąstų ir parodyti gamtoje šiuo metu nepastebimus atributus. „Jei pasieksime beveik tokį pagerėjimą ir tai pavers pasėlius, rezultatai galėtų padėti pakeisti žemės ūkį“, – sako Shouldersas. „Jei mūsų pasiekimai bus kuklesni, tai vis tiek pritrauks didžiulių naujų investicijų į šią svarbią sritį.
Sėkmingas „RuBisCO“ projektavimas būtų atskiras mokslinis žygdarbis ir paskatintų naują entuziazmą tobulinti gamyklos CO.2 fiksacija. Kartu su kitais fotosintezės inžinerijos pasiekimais, tokiais kaip geresnis šviesos naudojimas, galima pasiekti naują žaliąją revoliuciją žemės ūkyje. Ilgalaikis technologijos sėkmės poveikis bus matuojamas pasėlių derliaus ir grūdų prieinamumo pagerėjimu, taip pat atsparumu derliaus praradimui esant aukštesnei lauko temperatūrai. Be to, geresnis žemės našumas ir politikos iniciatyvos padėtų sumažinti žemės ūkio poveikį aplinkai. Jei vienam lašui priaugtų daugiau derliaus, vandens suvartojimo žemės ūkyje mažinimas būtų didelis postūmis tvariam ūkininkavimui.
„Mūsų bendradarbiaujanti biochemikų ir sintetinių biologų, skaičiavimo biologų ir chemikų komanda yra giliai integruota su augalų biologais ir lauko bandymų ekspertais, todėl gaunama tvirta grįžtamojo ryšio grandinė fermentų inžinerijai. Pečiai priduria. „Kartu ši komanda galės dėti suderintas pastangas, naudodama moderniausius, pažangiausius metodus, kad sukurtų RuBisCO derlių, kad padėtų gauti reikšmingos naudos užtikrinant stabilų derliaus tiekimą, tikėkimės, kad bus patobulinti tiek maisto, tiek vandens saugumas“.
