La photosynthèse est le processus sous-jacent à toute croissance végétale. Les scientifiques visent à stimuler la photosynthèse pour répondre à la demande mondiale croissante de nourriture en mettant au point son enzyme clé Rubisco. Maintenant, des chercheurs de l'Institut de biochimie Max Planck ont ​​réussi à produire une plante fonctionnelle Rubisco dans une bactérie. Cela permet le génie génétique de l'enzyme. L'étude pourrait un jour conduire à de meilleurs rendements des cultures et à des variétés de plantes avec une efficacité accrue de l'utilisation de l'eau ou une meilleure résistance à la température. Les résultats ont été publiés dans Science .

La population mondiale devrait dépasser les 9 milliards en 2050. Avec plus de bouches à nourrir, il existe un besoin pressant d'amélioration de la production alimentaire. Pour répondre à la demande mondiale de nourriture, les scientifiques visent à augmenter l'efficacité de la photosynthèse et donc la productivité des cultures.

Booster la photosynthèse

La photosynthèse est le processus biologique fondamental qui sous-tend toute croissance végétale et soutient la vie sur Terre. Les plantes utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau en sucre et en oxygène (O2). L'enzyme critique dans ce processus est Rubisco. Rubisco catalyse la première étape de la production de glucides chez les plantes, la fixation du CO2 de l'atmosphère. Ce faisant, les plantes utilisent le CO2 pour construire de la biomasse et produire l'énergie nécessaire à la croissance. Cependant, La rubisco est une enzyme inefficace car elle capte lentement le CO2. Les réactions concurrentes avec l'O2 altèrent davantage l'efficacité catalytique de Rubisco. Pour ces raisons, Rubisco limite souvent le taux de photosynthèse et finalement la croissance des plantes, faisant de Rubisco une cible privilégiée pour le génie génétique.

Ingénierie de l'usine Rubisco, et la photosynthèse, serait renforcée par l'expression fonctionnelle de l'enzyme dans des hôtes alternatifs. Jusque là, cependant, les scientifiques n'ont pas réussi à produire une forme enzymatiquement active de Rubisco végétal dans un hôte bactérien - un objectif recherché depuis de nombreuses décennies. Une équipe dirigée par Manajit Hayer-Hartl, responsable du groupe de recherche "Chaperonin-assisted Protein Folding", a maintenant identifié les exigences pour exprimer et assembler la plante Rubisco dans une bactérie. Leurs découvertes devraient accélérer considérablement les efforts visant à améliorer la photosynthèse grâce à l'ingénierie Rubisco.

La chaîne de montage Rubisco

L'enzyme Rubisco se compose de huit grandes et huit petites sous-unités. Le repliement des protéines des grandes sous-unités est assisté par des chaperonines spécifiques, cages pliantes macromoléculaires, dans lequel les protéines nouvellement synthétisées peuvent assumer leur propre conformation fonctionnelle. Après pliage, plusieurs protéines auxiliaires supplémentaires (chaperons) aident à l'assemblage correct des sous-unités dans le grand complexe enzymatique.

Les chercheurs ont généré du Rubisco végétal fonctionnel dans un hôte bactérien en exprimant simultanément des chaperons végétaux et du Rubisco dans les mêmes cellules. Cela permet non seulement aux scientifiques de comprendre la voie d'assemblage complexe de Rubisco, mais de modifier le gène Rubisco afin d'améliorer les propriétés de Rubisco. Une fois qu'ils ont obtenu une variante Rubisco avec un trait souhaité, ils peuvent réinsérer le gène modifié dans les cellules végétales. Il s'agit d'une étape clé vers l'amélioration de la photosynthèse grâce à l'ingénierie Rubisco. "Le système d'expression bactérienne ressemble à une chaîne de montage pour voitures. Alors qu'auparavant, chaque variante optimisée de Rubisco devait être minutieusement exprimée dans une plante transgénique, ce qui prend un an ou plus à générer - comme construire une voiture à la main - nous pouvons maintenant fabriquer des centaines ou des milliers de variantes Rubisco en quelques jours ou semaines. C'est comme construire des voitures dans une chaîne de montage automatisée", explique Hayer-Hartl.

Variantes Rubisco supérieures

Le génie génétique facilite les efforts pour générer des variantes Rubisco avec des propriétés fonctionnelles améliorées. Cela pourrait non seulement conduire à l'augmentation indispensable des rendements des cultures, mais aussi des variétés végétales avec une efficacité accrue de l'utilisation de l'eau ou une meilleure résistance à la température - des propriétés qui sont d'une importance particulière à la lumière du réchauffement climatique et de la rareté croissante de l'eau.