Фотосинтез напрямую или косвенно обеспечивает энергией почти все живые существа на планете. Все зеленые растения, водоросли, и микроорганизмы используют одинаковый механизм получения глюкозы из воды и углекислого газа под действием солнечного света. Однако эффективность фотосинтеза невелика: в глюкозе и других продуктах фотосинтеза запасается обычно 1–2% от энергии падающего света.

Частично неэффективность фотосинтеза вызвана тем, что фотосинтез появился больше двух миллиардов лет назад, когда в атмосфере Земли еще не было кислорода. Из-за этого при фиксации углекислого газа ключевой энзим (по имени RuBisCO) делает ошибку примерно в одном случае из четырех, и вместо углекислого газа реакция происходит с кислородом. Подобный процесс называется фотореспирацией и понижает эффективность фотосинтеза и продуктивность сельскохозяйственных культур почти вдвое.

Побороть фотореспирацию можно несколькими способами. Можно убирать кислород из атмосферы и замещать его углекислым газом, что и делается человечеством путем сжигания ископаемого топлива. Однако этот процесс (мягко говоря) приводит ко множеству побочных эффектов и не дает полного решения проблемы фотореспирации. Другое решение это использование растений, которые могот создавать богатую углекислым газом атмосферу внутри фотосинтезирующих клеток и таким образом увеличивать свою эффективность. Это в первую очередь кукуруза и сахарный тростник. Однако этот метод нельзя распространить на другие сельскохозяйственные культуры.

Наконец, можно попробовать генетическую модификацию растений на самой главной стадии фотосинтеза. Теоретически, можно заставить растения производить улучшенную версию RuBisCO который не будет реагировать с кислородом. Это возможно, вот только мы не еще понимаем, какой эта улучшенная версия должна быть: наше понимание работы энзимов еще недостаточно для дизайна их улучшенных версий. Сейчас идет большая работа по использованию ИИ для решения этой проблемы, но совершенно непонятно, сколько времени это займет.

Один из авторов статьи замораживает экспериментальные растения жидким азотом для химического анализа

Но есть и другой путь. В недавней публикации группы ученых из Университа Иллинойса они продемонстрировали, как можно уменьшить энергетические затраты на ликвидацию последствий фотореспирации путем введения в растения новых генов взятых их фотосинтезиющих бактерий. При этом изменяются основные биохимические пути в этих растениях. Пока что получено увеличение эффективности примерно в 13%, но это только начало. Этот подход может работать на любых растениях и привести к новой революции в сельском хозяйстве.