Zgodnie ze statutem MIT, ustanowionym w 1861 r., częścią misji Instytutu jest postęp „rozwoju i praktycznego zastosowania nauki w związku ze sztuką, rolnictwem, produkcją i handlem”. Obecnie Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) jest jedną z sił napędowych badań związanych z wodą i żywnością na kampusie, z których większość dotyczy rolnictwa. W 2022 roku J-WAFS ustanowił grant Water and Food Grand Challenge, aby zainspirować naukowców z MIT do pracy na rzecz bezpiecznej pod względem wody i żywności przyszłości naszej zmieniającej się planety. Podobnie jak MIT Climate Grand Challenges, J-WAFS Grand Challenge ma na celu wykorzystanie wielu obszarów wiedzy specjalistycznej, programów i zasobów Instytutu. Wstępne zaproszenie do składania deklaracji zainteresowania zwróciło 23 listy od badaczy MIT z 18 wydziałów, laboratoriów i ośrodków. W ramach projektu J-WAFS zorganizowano warsztaty dla wnioskodawców w celu zaprezentowania i przedyskutowania ich wstępnych pomysłów. Zostały one sprowadzone do mniejszego zestawu zaproszonych dokumentów koncepcyjnych, po których nastąpił etap ostatecznej propozycji.

Dziś J-WAFS z przyjemnością informuje, że inauguracyjny grant J-WAFS Grand Challenge Grant został przyznany zespołowi naukowców pod kierownictwem profesora Matta Shouldersa i naukowca Roberta Wilsona z Wydziału Chemii. Panel ekspertów zewnętrznych recenzentów wysoko poparł ich propozycję, która rozwiązuje długotrwały problem w biologii upraw — jak zwiększyć wydajność fotosyntezy. Zespół otrzyma 1,5 miliona dolarów w ciągu trzech lat, aby ułatwić wieloetapowy projekt badawczy, który łączy najnowocześniejsze innowacje w biologii syntetycznej i obliczeniowej. W przypadku powodzenia projekt ten może przynieść znaczne korzyści rolnictwu i systemom żywnościowym na całym świecie.

„Systemy żywnościowe są głównym źródłem globalnych emisji gazów cieplarnianych, a także są coraz bardziej podatne na skutki zmian klimatu. Dlatego kiedy mówimy o zmianach klimatycznych, musimy mówić o systemach żywnościowych i vice versa” – mówi Maria T. Zuber, wiceprezes MIT ds. badań. „J-WAFS ma kluczowe znaczenie dla wysiłków MIT zmierzających do sprostania zazębiającym się wyzwaniom związanym z klimatem, wodą i żywnością. Ten nowy program dotacji ma na celu przyspieszenie innowacyjnych projektów, które będą miały realny i znaczący wpływ na wodę i żywność. Gratuluję profesorowi Shouldersowi i reszcie zespołu badawczego bycia pierwszymi odbiorcami tego grantu”.

Shoulders będzie współpracować z Bryanem Brysonem, profesorem nadzwyczajnym inżynierii biologicznej, a także Bin Zhang, profesorem nadzwyczajnym chemii i Mary Gehring, profesorem na Wydziale Biologii i Whitehead Institute for Biomedical Research. Koordynatorem prac badawczych będzie Robert Wilson z laboratorium Shoulders. Zespół z MIT będzie współpracował z zewnętrznymi współpracownikami Spencerem Whitneyem, profesorem z Australian National University i Ahmedem Badranem, adiunktem w Instytucie Badawczym Scripps. Oparta na kamieniach milowych współpraca będzie miała również miejsce ze Stephenem Longiem, profesorem z University of Illinois w Urbana-Champaign. Grupa składa się z ekspertów w dziedzinie ciągłej ukierunkowanej ewolucji, uczenia maszynowego, symulacji dynamiki molekularnej, translacyjnej biochemii roślin i prób terenowych.

„Ten projekt ma na celu fundamentalne ulepszenie enzymu RuBisCO, którego rośliny używają do przekształcania dwutlenku węgla w bogate w energię cząsteczki, które składają się na naszą żywność”, mówi dyrektor J-WAFS, John H. Lienhard V. „Ten trudny problem jest prawdziwym wielkim wyzwaniem, wzywając do obszernych zasobów. Dzięki wsparciu J-WAFS ten długo poszukiwany cel może zostać wreszcie osiągnięty dzięki wiodącym badaniom MIT” – dodaje.

RuBisCO: Nie, to nie nowe płatki śniadaniowe; może to być klucz do rewolucji w rolnictwie
Rosnąca globalna populacja, skutki zmian klimatycznych oraz konflikty społeczne i polityczne, takie jak wojna na Ukrainie, zagrażają zaopatrzeniu w żywność, zwłaszcza zboża. Obecne prognozy szacują, że produkcja roślinna musi wzrosnąć o co najmniej 50 procent w ciągu najbliższych 30 lat, aby zaspokoić zapotrzebowanie na żywność. Jedną z kluczowych barier dla zwiększenia plonów jest enzym fotosyntetyczny zwany rybulozo-1,5-bisfosforanową karboksylazą/oksygenazą (RuBisCO). Podczas fotosyntezy rośliny wykorzystują energię uzyskaną ze światła do pobierania dwutlenku węgla (CO2) z atmosfery i przekształcania go w cukry i celulozę do wzrostu, w procesie znanym jako wiązanie węgla. RuBisCO jest niezbędny do wychwytywania CO2 z powietrza w celu zainicjowania konwersji CO2 w cząsteczki bogate w energię, takie jak glukoza. Ta reakcja zachodzi podczas drugiego etapu fotosyntezy, znanego również jako cykl Calvina. Bez RuBisCO reakcje chemiczne, które odpowiadają za praktycznie całość pozyskiwania węgla w życiu, nie mogłyby zajść.

Niestety RuBisCO ma wady biochemiczne. Warto zauważyć, że enzym działa powoli. Wiele innych enzymów może przetwarzać tysiąc cząsteczek na sekundę, ale RuBisCO w chloroplastach wiąże mniej niż sześć cząsteczek dwutlenku węgla na sekundę, często ograniczając tempo fotosyntezy roślin. Innym problemem jest to, że cząsteczki tlenu (O2) i cząsteczki dwutlenku węgla mają stosunkowo podobny kształt i właściwości chemiczne, a RuBisCO nie jest w stanie w pełni rozróżnić między nimi. Nieumyślne wiązanie tlenu przez RuBisCO prowadzi do utraty energii i węgla. Co więcej, w wyższych temperaturach RuBisCO jeszcze częściej reaguje z tlenem, co w miarę ocieplania się klimatu przyczyni się do zmniejszenia wydajności fotosyntezy wielu podstawowych upraw.

Naukowy konsensus jest taki, że inżynieria genetyczna i metody biologii syntetycznej mogą zrewolucjonizować fotosyntezę i zapewnić ochronę przed stratami w uprawach. Do tej pory inżynieria upraw RuBisCO była osłabiona przez przeszkody technologiczne, które ograniczały wszelkie sukcesy w znaczącym ulepszaniu produkcji roślinnej. Ekscytujące jest to, że narzędzia inżynierii genetycznej i biologii syntetycznej są obecnie w punkcie, w którym można je zastosować i przetestować w celu stworzenia upraw z nowymi lub ulepszonymi ścieżkami biologicznymi do produkcji większej ilości żywności dla rosnącej populacji.

Epicki plan walki z brakiem bezpieczeństwa żywnościowego
Projekt J-WAFS Grand Challenge 2023 wykorzysta najnowocześniejsze techniki inżynierii białek transformacyjnych zaczerpnięte z biomedycyny w celu poprawy biochemii fotosyntezy, ze szczególnym uwzględnieniem RuBisCO. Shoulders i jego zespół planują zbudować coś, co nazywają platformą ulepszonej fotosyntezy w uprawach (EPiC). Projekt będzie ewoluował i zaprojektuje lepszą uprawę RuBisCO w laboratorium, po czym nastąpi walidacja ulepszonych enzymów w roślinach, co ostatecznie doprowadzi do zastosowania ulepszonego RuBisCO w próbach polowych w celu oceny wpływu na plony.

Kilka ostatnich osiągnięć umożliwia wysokowydajną inżynierię upraw RuBisCO. RuBisCO wymaga złożonej sieci opiekuńczej do prawidłowego montażu i funkcjonowania w zakładach. Opiekunowie są jak pomocnicy, którzy kierują białkami podczas procesu ich dojrzewania, chroniąc je przed agregacją, jednocześnie koordynując ich prawidłowy montaż. Wilson i jego współpracownicy wcześniej odblokowali zdolność do rekombinacyjnego wytwarzania roślinnego RuBisCO poza chloroplastami roślin poprzez rekonstrukcję tej sieci opiekuńczej w Escherichia coli (E. coli). Whitney ustalił teraz, że enzymy RuBisCO z szeregu upraw rolniczych, w tym ziemniaków, marchwi, truskawek i tytoniu, mogą być również wyrażane przy użyciu tej technologii. Whitney i Wilson rozwinęli szereg badań przesiewowych E. coli zależnych od RuBisCO, które mogą identyfikować ulepszone RuBisCO ze złożonych bibliotek genów. Co więcej, Shoulders i jego laboratorium opracowali wyrafinowane technologie mutagenezy in vivo, które umożliwiają skuteczne, ciągłe, ukierunkowane kampanie ewolucyjne. Ciągła ukierunkowana ewolucja odnosi się do procesu inżynierii białek, który może jednocześnie przyspieszyć etapy naturalnej ewolucji w nieprzerwanym cyklu w laboratorium, umożliwiając szybkie testowanie sekwencji białek. Chociaż zarówno Shoulders, jak i Badran mają wcześniejsze doświadczenie z najnowocześniejszymi platformami ukierunkowanej ewolucji, będzie to pierwszy raz, kiedy ewolucja kierowana zostanie zastosowana w RuBisCO z roślin.

Sztuczna inteligencja zmienia sposób, w jaki inżynieria enzymów jest podejmowana przez naukowców. Główni badacze, Zhang i Bryson, wykorzystają nowoczesne metody obliczeniowe do symulacji dynamiki struktury RuBisCO i zbadania jej ewolucyjnego krajobrazu. W szczególności Zhang wykorzysta symulacje dynamiki molekularnej do symulacji i monitorowania dynamiki konformacyjnej atomów w białku i jego zaprogramowanego środowiska w czasie. Takie podejście pomoże zespołowi ocenić wpływ mutacji i nowych funkcji chemicznych na właściwości RuBisCO. Bryson wykorzysta sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe do przeszukiwania krajobrazu działań RuBisCO w celu znalezienia optymalnych sekwencji. Ramiona obliczeniowe i biologiczne platformy EPiC będą ze sobą współpracować, aby zarówno weryfikować, jak i informować się nawzajem o swoich podejściach w celu przyspieszenia ogólnych prac inżynieryjnych.

Shoulders i grupa rozmieszczą zaprojektowane przez siebie enzymy w roślinach tytoniu, aby ocenić ich wpływ na wzrost i plony w stosunku do naturalnego RuBisCO. Gehring, biolog roślin, będzie pomagał w badaniu przesiewowym ulepszonych wariantów RuBisCO przy użyciu odmiany tytoniu Nicotiana benthamianaI, w której można zastosować przejściową ekspresję. Ekspresja przejściowa to szybkie podejście do sprawdzenia, czy nowatorskie warianty RuBisCO mogą być prawidłowo syntetyzowane w chloroplastach liści. Warianty, które przejdą ten punkt kontrolny kontroli jakości w MIT, zostaną przekazane do Whitney Lab na Australijskim Uniwersytecie Narodowym w celu stabilnej transformacji w Nicotiana tabacum (tytoń), umożliwiając solidne pomiary poprawy fotosyntezy. Na ostatnim etapie profesor Long z University of Illinois w Urbana-Champaign przeprowadzi próby terenowe najbardziej obiecujących wariantów.

Nawet niewielkie ulepszenia mogą mieć duży wpływ
Powszechną krytyką wysiłków zmierzających do ulepszenia RuBisCO jest to, że naturalna ewolucja nie zidentyfikowała jeszcze lepszego enzymu, co prawdopodobnie sugeruje, że żaden nie zostanie znaleziony. Tradycyjne poglądy spekulowały na temat katalitycznego kompromisu między współczynnikiem specyficzności RuBisCO dla CO2 / O2 a wydajnością wiązania CO2, co prowadzi do przekonania, że ​​poprawa współczynnika specyficzności może zostać zrównoważona przez jeszcze wolniejsze wiązanie węgla lub odwrotnie. Zasugerowano ten kompromis, aby wyjaśnić, dlaczego naturalna ewolucja była powolna, aby osiągnąć lepszy RuBisCO. Jednak Shoulders i jego zespół są przekonani, że platforma EPiC może odblokować znaczące ogólne ulepszenia zakładu RuBisCO. Pogląd ten jest poparty faktem, że Wilson i Whitney wcześniej wykorzystali ukierunkowaną ewolucję, aby poprawić skuteczność wiązania CO2 o 50 procent w RuBisCO z cyjanobakterii (starożytnych przodków roślinnych chloroplastów), jednocześnie zwiększając współczynnik specyficzności.

Naukowcy z EPiC przewidują, że ich początkowe warianty mogą przynieść 20-procentowy wzrost współczynnika specyficzności RuBisCO bez pogorszenia innych aspektów katalizy. Bardziej wyrafinowane warianty mogłyby wyciągnąć RuBisCO z pułapki ewolucyjnej i wykazywać cechy, których obecnie nie obserwuje się w przyrodzie. „Jeśli osiągniemy choć odrobinę zbliżoną do takiej poprawy i przełoży się to na uprawy, wyniki mogą pomóc w przekształceniu rolnictwa” — mówi Shoulders. „Jeśli nasze osiągnięcia będą skromniejsze, nadal będzie rekrutować ogromne nowe inwestycje w tę istotną dziedzinę”.

Pomyślna inżynieria RuBisCO sama w sobie byłaby osiągnięciem naukowym i rozpaliła nowy entuzjazm dla poprawy wiązania CO2 w roślinach. W połączeniu z innymi postępami w inżynierii fotosyntetycznej, takimi jak lepsze wykorzystanie światła, można osiągnąć nową zieloną rewolucję w rolnictwie. Długofalowe skutki sukcesu technologii będą mierzone poprawą plonów i dostępności ziarna, a także odpornością na straty plonów w wyższych temperaturach na polu. Ponadto poprawa produktywności gruntów wraz z inicjatywami politycznymi pomogłaby w zmniejszeniu śladu środowiskowego rolnictwa. Przy większej liczbie „upraw na kroplę” zmniejszenie zużycia wody w rolnictwie byłoby głównym impulsem dla zrównoważonych praktyk rolniczych.

„Nasz współpracujący zespół biochemików i biologów syntetycznych, biologów obliczeniowych i chemików jest głęboko zintegrowany z biologami roślin i ekspertami ds. „Razem ten zespół będzie w stanie podjąć skoordynowany wysiłek, wykorzystując najnowocześniejsze, najnowocześniejsze techniki, aby zaprojektować uprawy RuBisCO z myślą o pomocy w uzyskaniu znaczących korzyści w zapewnieniu stabilnych dostaw plonów, miejmy nadzieję, z towarzyszącymi ulepszeniami w bezpieczeństwa żywnościowego i wodnego”.

źródło: mit.edu