麻省理工学院化学家加强光合作用
在光合作用过程中，一种叫做 rubisco 的酶催化一个关键反应——二氧化碳掺入有机化合物以产生糖。 然而，rubisco 被认为是地球上最丰富的酶，与参与光合作用的其他酶相比，效率非常低。 麻省理工学院的化学家现在已经证明，他们可以大大增强在低氧环境中的细菌中发现的一种 rubisco 版本。 使用称为定向进化的过程，他们确定了可以将 Rubisco 的催化效率提高多达 25% 的突变。 研究人员现在计划将他们的技术应用于可用于植物的 rubisco 形式，以帮助提高它们的光合作用速度，这可能会提高作物产量。 “我认为，这是成功改善 rubisco 酶特性的一个令人信服的证明，为设计其他形式的 rubisco 带来了很大的希望，”班级 Matthew Shoulders 说1942 年担任麻省理工学院化学教授。 Shoulders 和化学系的研究科学家 Robert Wilson 是这项新研究的资深作者，该研究本周发表在《美国国家科学院院刊》上。 麻省理工学院研究生 Julie McDonald 是该论文的主要作者。 效率的演变 当植物或光合细菌从太阳吸收能量时，它们首先将其转化为 ATP 等能量储存分子。 在下一阶段光合作用，细胞利用这种能量将一种称为二磷酸核酮糖的分子转化为葡萄糖，这需要几个额外的反应。 Rubisco 催化这些反应中的第一种，称为羧化。 在该反应过程中，将 CO2 中的碳添加到二磷酸核酮糖中。 与参与光合作用的其他酶相比，rubisco 非常慢，每秒仅催化 1 到 10 个反应。 此外，rubisco 还可以与氧气相互作用，导致包含氧气而不是碳的竞争反应 -- 这一过程浪费了从阳光中吸收的一些能量。 “对于蛋白质工程师来说，这是一组非常有吸引力的问题，因为这些特性似乎是你希望通过改变酶的氨基酸序列来变得更好的东西，”McDonald 说。 以前的研究导致 rubisco 的稳定性和溶解度得到改善，这导致酶效率略有提高。 其中大多数研究使用了定向进化——一种技术，其中自然存在的蛋白质被随机突变，然后筛选出新的、理想的特征。 这个过程通常是使用易出错的 PCR 完成的，这种技术首先在体外（细胞外）产生突变，通常只在靶基因中引入一两个突变。 在过去对 rubisco 的研究中，这个突变库随后被引入以相对于 rubisco 的速度生长的细菌中活动。 易出错的 PCR 和引入新基因的效率的限制限制了使用这种方法可以产生和筛选的突变总数。 手动诱变和选择步骤也为多轮进化的过程增加了更多时间。 麻省理工学院团队转而使用了 Shoulders 实验室之前开发的一种更新的诱变技术，称为 MutaT7。 该技术允许研究人员在活细胞，这大大加快了这一过程。 他们的技术还使他们能够以更高的速率突变靶基因。 “我们的连续定向进化技术使您能够查看比过去更多的酶突变，”McDonald 说。 更好的 Rubisco 对于这项研究，研究人员从一种 rubisco 开始，该细菌是从称为 Gallionellaceae 的半厌氧细菌家族中分离出来的，这是在自然界。 在 inE 进行的定向进化实验期间。 大肠杆菌，研究人员将微生物保持在大气中氧气含量高的环境中，从而产生进化压力以适应氧气。 经过六轮定向进化，研究人员确定了三种不同的突变，这些突变提高了 rubisco 对氧的抵抗力。 这些突变中的每一个都位于酶的活性位点附近（它在那里进行羧化或氧合）。 这研究人员认为，这些突变提高了酶优先与二氧化碳而不是氧气相互作用的能力，从而导致羧化效率的整体提高。 “这里的潜在问题是：您能否改变和改进 Rubisco 的动力学特性，以便在您希望它更好地运行的环境中更好地运行？” Shoulders 说。 “通过定向进化过程发生的变化是，rubisco 开始喜欢减少与氧气的反应。 那让这个 Rubisco 在富氧环境中运行良好，通常它会不断分心并与氧气发生反应，这是你不希望它做的。 在正在进行的工作中，研究人员正在将这种方法应用于其他形式的 rubisco，包括来自植物的 rubisco。 据信，植物通过一种称为光呼吸的过程从吸收的阳光中损失了大约 30% 的能量，当 rubisco 作用于氧气而不是二氧化碳时，就会发生这种情况。 “这确实为许多令人兴奋的新研究打开了大门，它超越了过去主导 rubisco 工程的工程类型，”Wilson 说。 “农业生产力有明确的好处，可以通过更好的 rubisco 来利用。” 该研究部分由美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、Abdul Latif Jameel 水和食品系统实验室大挑战赠款以及 Martin 家族资助可持续发展协会奖学金。