Naučnici su razvili tehniku uređivanja genoma kloroplasta koja značajno poboljšava fotosintezu i rast biljaka uvođenjem preciznih promjena u enzim Rubisco, koji je ključni, ali relativno neefikasan protein uključen u fiksaciju ugljika u biljci. Istraživanje, objavljeno uNature Communications, je pokazao da ciljana uređivanja povećavaju fotosintetičke performanse, proizvodnju biomase i efikasnost korištenja vode{0}}u modelskom postrojenjuArabidopsis thaliana. Ovi nalazi ističupotencijalni put za razvoj produktivnijih useva u budućim klimatskim uslovima.
Koristeći tehnologiju za uređivanje baze kloroplasta{0}}, istraživači su uveli supstitucije jedne aminokiseline u Rubisco veliku podjedinicu bez ugrađivanja strane DNK u genom biljke. Dvije specifične mutacije, M309I i D397N, poboljšale su katalitičku aktivnost enzima, omogućavajući 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 površinu listova i veći prinos sjemena uz održavanje normalnog sadržaja Rubisco i klorofila.
Ovi nalazi se bave dugogodišnjim izazovom u biljnoj biotehnologiji. Iako je Rubisco ključan za fotosintezu, njegova relativno spora katalitička brzina ograničava produktivnost usjeva decenijama. Prethodni pokušaji redizajniranja ili zamjene enzima često su poremetili njegovo sklapanje ili smanjili rast biljaka. Nasuprot tome, ova studija pokazuje da male, ciljane modifikacije postojećeg Rubisco gena mogu poboljšati njegove performanse uz očuvanje normalnog razvoja biljke.
Istraživači su također primijetili da su modificirane biljke postigle veću intrinzičnu efikasnost{0}}korištenja vode, jer se fotosinteza povećala bez potrebe za većim otvaranjem stomata. Krio-elektronska mikroskopija je otkrila 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 primjećuju da su ciljane pozicije aminokiselina visoko očuvane u mnogim poljoprivrednim kulturama, što ukazuje da bi ovaj pristup mogao biti široko primjenjiv i izvanArabidopsis. Kako koncentracije CO₂ u atmosferi nastavljaju rasti, Rubisco varijante s bržim katalitičkim brzinama mogu omogućiti usjevima da održe produktivnost uz efikasnije korištenje vode u sve zahtjevnijim uvjetima uzgoja.
Budući da proces uređivanja hloroplasta ne ostavlja stranu DNK u konačnim biljkama nakon uzgoja, istraživači sugeriraju da bi ova tehnologija mogla zaobići određene regulatorne barijere povezane s konvencionalnim genetski modificiranim usjevima u zemljama koje prepoznaju gene{0}}uređene, transgene-biljke bez gena u nastajanju ne-GMO okvira.
