Une nouvelle étude fournit un cadre pour stimuler la croissance des cultures en incorporant une stratégie adoptée à partir d'une espèce d'algues vertes à croissance rapide. Les algues, connues sous le nom de Chlamydomonas reinhardtii, contiennent un organite appelé pyrénoïde qui accélère la conversion du carbone, que les algues absorbent de l'air, en une forme que les organismes peuvent utiliser pour leur croissance. Dans une étude publiée le 19 mai 2022 dans la revue Nature Plants , des chercheurs de l'Université de Princeton et de l'Université Northwestern ont utilisé la modélisation moléculaire pour identifier les caractéristiques du pyrénoïde les plus critiques pour améliorer la fixation du carbone, puis ont cartographié comment cette fonctionnalité pourrait être intégrée aux plantes cultivées.

Ce n'est pas seulement un exercice académique. Pour beaucoup de gens aujourd'hui, la majeure partie des calories alimentaires provient de plantes cultivées domestiquées il y a des milliers d'années. Depuis lors, les progrès de l'irrigation, de la fertilisation, de l'élevage et de l'industrialisation de l'agriculture ont contribué à nourrir la population humaine en plein essor. Cependant, à l'heure actuelle, seuls des gains supplémentaires peuvent être extraits de ces technologies. Pendant ce temps, l'insécurité alimentaire, déjà à des niveaux critiques pour une grande partie de la population mondiale, devrait s'aggraver en raison du changement climatique.

Les nouvelles technologies pourraient inverser cette tendance. De nombreux scientifiques pensent que l'algue pyrénoïde offre une telle innovation. Si les scientifiques peuvent concevoir une capacité de type pyrénoïde à concentrer le carbone dans des plantes telles que le blé et le riz, ces importantes sources de nourriture pourraient connaître une accélération majeure de leur taux de croissance.

"Ce travail fournit des indications claires pour l'ingénierie d'un mécanisme de concentration du carbone dans les plantes, y compris les principales cultures", a déclaré Martin Jonikas, auteur principal de l'étude, professeur agrégé de biologie moléculaire à Princeton et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. .

Chlamydomonas reinhardtii réalise la fixation du carbone grâce à l'action de l'enzyme Rubisco, qui catalyse la conversion du CO₂ into organic carbon.

Terrestrial plants also use Rubisco to accomplish carbon fixation, but in most plants, Rubisco only works at about a third of its theoretical capacity because it cannot access enough CO₂ to operate faster. Much effort has therefore gone into studying the carbon-concentrating mechanisms, particularly those found in cyanobacteria and in Chlamydomonas, with the hope of eventually providing this function for terrestrial crop plants. But there's a problem:

"While the structure of the pyrenoid and many of its components are known, key biophysical questions about its mechanism remain unanswered, due to a lack of quantitative and systematic analysis," said senior co-author Ned Wingreen, Princeton's Howard A. Prior Professor of the Life Sciences and professor of molecular biology and the Lewis-Sigler Institute of Integrative Genomics.

To gain insights about how the algal pyrenoid carbon-concentrating mechanism works, Princeton graduate student Chenyi Fei collaborated with undergraduate Alexandra Wilson, Class of 2020, to develop a computational model of the pyrenoid with the help of co-author Niall Mangan, assistant professor of engineering sciences and applied mathematics at Northwestern University.

Prior work has shown that the Chlamydomonas reinhardtii pyrenoid consists of a spherical Rubisco matrix traversed by a vasculature of membrane-enclosed projections called pyrenoid tubules, and surrounded by a sheath made of starch. It's thought that CO₂ taken up from the environment is converted into bicarbonate and then transported into the tubules, where it then enters the pyrenoid. An enzyme present in the tubules converts bicarbonate back into CO₂ , which then diffuses into the Rubisco matrix. But is this picture complete?

"Our model demonstrates that this conventional picture of the pyrenoid carbon-concentrating mechanism can't work because CO₂ would just rapidly leak back out of the pyrenoid before Rubisco could act on it," Wingreen said. "Instead, the starch shell around the pyrenoid must act as a diffusion barrier to trap CO₂ in the pyrenoid with Rubisco."

In addition identifying this diffusion barrier, the researchers' model pinpointed other proteins and structural features needed for CO₂ concentration. The model also identified non-necessary components, which should make engineering pyrenoid functionality into plants a simpler task. This simplified model of the pyrenoid, the researchers showed, behaves similarly to the actual organelle.

"The new model developed by Fei, Wilson, and colleagues is a game changer," said Alistair McCormick, an expert in Plant Molecular Physiology and Synthetic Biology at the University of Edinburgh, who has worked with the Princeton scientists but was not involved in this study.

"One of the key findings of this paper, which differentiates the Chlamydomonas carbon-concentrating mechanism from those found in cyanobacteria, is that introducing active bicarbonate transporters may not be necessary," McCormick said. "This is important because active bicarbonate transport has been a key challenge hindering progress in the engineering of biophysical carbon-concentrating mechanisms."