A fotoszintézissel játszanak a tudósok

Az Illinois Egyetem kutatói felülmúlták a természetet: olyan növényt alkottak, ami több levelet és gyümölcsöt termel mindenféle segédanyag nélkül, pusztán a fotoszintézis jobb kihasználásával. A csapat egy számítógépes modell segítségével érte el a vívmányt. Ez az első modell, ami a fotoszintézis folyamatának minden egyes lépcsőfokát szimulálja.

A fotoszintézis fényt alakít kémiai energiává. A növények esetében főként a levelekben végbemenő folyamat szövevényes kémiai reakciók sorozatából áll, melyhez protein enzimek és egyéb kémiai összetevők tucatjai szükségesek. "Arra a kérdésre szerettünk volna választ kapni, vajon képesek vagyunk-e túlszárnyalni a növényeket termelékenység terén? - nyilatkozott a kutatás vezetője, Steve Long, az egyetem növénybiológiai és terménytudományi professzora. A választ valódi növényeken igen bonyolult és időigényes lett volna megadni, hiszen több mint 100 protein vesz részt a fotoszintézisben, ezért a folyamatot egy szuperszámítógép szimulálták, letesztelve az összes lehetséges permutációt.

Steve Long

Ehhez a kutatóknak először egy megbízható fotoszintézis modellt kellett felépíteniük, ami egy az egyben visszaadja a folyamatot a környezet változásainak függvényében. Ez az egyszerűnek koránt sem nevezhető feladat az egyetem keretein belül működő Szuperszámítási Alkalmazások Nemzeti Központjára, illetve az ott található számítási erőforrásokra hárult. A modell elkészítésében Xin-Guang Zhu és Eric de Sturler játszotta a főszerepet Long hathatós közreműködésével.

Miután megállapították a fotoszintézisben résztvevő minden egyes protein viszonylagos mennyiségét, a kutatók elkészítettek egy sorozat láncolt differenciál egyenletet, melyek mindegyike egy-egy lépcsőfokot testesített meg a fotoszintézis folyamatában. A csapat addig tesztelte és finomította a modellt, amíg az vissza nem adta a valódi leveleken végzett kísérletek eredményeit, beleértve a környezeti változásokkal kapcsolatos dinamikus reakciókat is.

Ezután a kutatók úgy programozták a modellt, hogy az véletlenszerűen módosítsa a fotoszintézis különálló enzimjeinek szintjeit. Az "evolúciós algoritmusokkal" - melyek a kívánatos jellemvonások kiválasztásával utánozzák az evolúciót - a modell olyan enzimekre vadászott, melyek növelése elősegíti a növény termelékenységét. Amennyiben a magasabb enzimkoncentráció növelte a fotoszintézis hatékonyságát a modell továbbörökítette az eredményeket a következő generációs tesztekbe.


Ez a módszer számos proteint azonosított be, melyek, ha a többihez viszonyítva magasabb koncentrációban lennének jelen, nagyban növelnék egy növény termőképességét. A felfedezések egybeesnek más kutatók eredményeivel, akik megállapították, hogy egy-egy ilyen protein növelése a génmanipulált növényekben javítja a termőképességet, Long szerint bizonyos kombinációkkal szinte megduplázható a hozam.

A fentiek kapcsán talán jogosan merül fel a kérdés, ha ennyivel növelhető a termelékenység, akkor a természet miért nem eleve ebbe az irányba fejlesztette a növényeket? "A válasz elvileg azon a tényen alapul, hogy az evolúció a túlélés és a termékenység alapján válogat, míg mi kizárólag termelékenységi szempontok alapján szelektáltunk" - mondta Long. A modellek által javasolt módosítások ennek megfelelően alááshatják a növény túlélési esélyeit a természetben, viszont az elemzések azt sugallják, hogy egy kontrollált gazdaságban életképesek maradnának, összegzett a professzor.