วิศวกรรมการตรึงไนโตรเจนในธัญพืชจะก้าวไปใกล้

Anonim

วิธีการใหม่ในการตรึงไนโตรเจนทางวิศวกรรมได้รับการค้นพบโดยทีมงานวิจัยของอังกฤษและจีนทำให้เราก้าวเข้าใกล้เป้าหมายเพื่อบรรลุเป้าหมายด้านวิศวกรรมเพื่อให้สามารถผลิตไนโตรเจนได้

หนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ จำกัด การเจริญเติบโตของพืชคือความพร้อมของไนโตรเจน แต่แบคทีเรียและจุลินทรีย์เซลล์เดียวชนิดอื่น ๆ ที่เรียกว่า archaea สามารถใช้ไนโตรเจนจากอากาศและแก้ไขได้ในรูปแบบที่พืชสามารถนำมาใช้ได้ กระบวนการที่ดำเนินการโดยจุลินทรีย์เหล่านี้เรียกว่าการตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพ

พืชตระกูลถั่วมีไนโตรเจนจากเชื้อแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่เป็นพาหะนำโรค แต่พืชธัญพืชรวมทั้งข้าวสาลีและข้าวโพดอาศัยความพร้อมของไนโตรเจนในดิน ในหลาย ๆ กรณีการใส่ปุ๋ยเคมีเป็นวิธีเดียวที่จะทำให้พืชมีไนโตรเจนเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเก็บเกี่ยวที่ดี

การใช้ปุ๋ยไนโตรเจนจะปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีประสิทธิภาพมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 300 เท่า เราหวังว่าจะช่วยลดการใช้ปุ๋ยไนโตรเจนลงได้ดังนั้นการลดการใช้ปุ๋ยไนโตรเจนจึงช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม การแบ่งแม้เช่นนี้อาจมีผลกระทบต่อทั่วโลกสำหรับการผลิตพืชธัญพืช

ในงานวิจัยนี้ทีมงานวิจัยสามารถควบคุมการตรึงไนโตรเจนได้โดยการใช้กลยุทธ์ใหม่ ๆ ซึ่งจะช่วยลดขั้นตอนในการสร้างยีนหลายยีนเพื่อให้แน่ใจว่าการแสดงออกของพวกเขานั้นมีความสมดุลในพื้นที่ใหม่ของพวกเขา การตรึงไนโตรเจนเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อนซึ่งต้องการความสมดุลของส่วนประกอบสำคัญ ๆ มากมาย จนถึงขณะนี้การบรรลุความสมดุลย์ของส่วนประกอบเหล่านี้เป็นความท้าทายที่สำคัญในการออกแบบระบบตรึงไนโตรเจนในธัญพืช

วิธีการใหม่นี้ทำงานโดยการจัดยีนจำนวนมากซึ่งจำเป็นสำหรับการตรึงไนโตรเจนเป็นยีนขนาดยักษ์ จากนั้นเซลล์เหล่านี้จะถูกแสดงออกในเซลล์เจ้าภาพเป็นโปรตีนขนาดใหญ่ที่เรียกว่า "polyproteins" ซึ่งถูกตัดโดยเอนไซม์โปรติเอสเฉพาะเพื่อปลดปล่อยส่วนประกอบการตรึงไนโตรเจนแต่ละตัว หนึ่งส่วนที่เป็นนวัตกรรมของวิธีนี้คือวิธีที่กลุ่มระบุจำนวนของส่วนประกอบที่ต้องการและจัดกลุ่มไว้ด้วยกัน ขั้นตอนนี้จะช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสมดุลที่เหมาะสม

ศาสตราจารย์ Ray Dixon หัวหน้าโครงการด้านจุลชีววิทยาระดับโมเลกุลที่ John Innes Center กล่าวว่า "นี่เป็นพัฒนาการที่น่าตื่นเต้นอย่างมากสำหรับชีววิทยาสังเคราะห์เนื่องจากนำไปสู่จุดมุ่งหมายของการตรึงไนโตรเจนทางวิศวกรรมในธัญพืช"

มหาวิทยาลัยปักกิ่งที่ทำงานร่วมกัน - ทีม John Innes Center กล่าวว่าวิธีการที่น่าตื่นเต้นนี้จะเป็นประโยชน์ในการเปลี่ยนระบบที่ซับซ้อนจาก prokaryotes เช่นแบคทีเรียให้กับโฮสต์ที่เป็น eukaryotic เช่นพืช

ศาสตราจารย์ดิกสันกล่าวต่อว่า "ในอนาคตวิธีการนี้อาจใช้กับกระบวนการเผาผลาญทางวิศวกรรมในพืชเพื่อผลิตสารรองพื้นย่อยเชื้อราและแบคทีเรียที่ให้ความต้านทานต่อเชื้อโรค"

ผลการวิจัยหลักที่ปรากฏในวารสาร PNAS ได้แก่:

  • โพรเซสซิงโปรตีน - splicing กลยุทธ์ที่ได้มาจากไวรัสอาร์เอ็นเอได้ถูกนำมาใช้เพื่อลดจำนวนยีนของระบบไนโตเจนไนต์คลาสสิกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ stoichiometry ของการแสดงออกของยีนตรึงไนโตรเจน (nif)
  • ยีนถูกจัดกลุ่มไว้ด้วยกันโดยพิจารณาจากระดับการแสดงออกและความอดทนของผลิตภัณฑ์โปรตีนของพวกเขาไปสู่ ​​"หาง" ของ C-terminal ที่ยังคงอยู่หลังจากที่ TEVp protease cleavage
  • หลังจากรอบหลายรอบของการทดสอบการรีสตาร์ท 14 ยีนที่จำเป็นได้รับการคัดเลือกรวมเป็น 5 ยักษ์ยีนที่ช่วยให้การเจริญเติบโตใน dinitrogen
menu
menu