麻省理工学院的科学家刚刚增强了为所有植物生命提供动力的酶
在光合作用过程中，一种叫做 rubisco 的酶催化了一个关键反应——将二氧化碳掺入有机化合物中以产生糖。 然而，Rubisco 被认为是地球上最丰富的酶，与其他参与光合作用的酶相比，它的效率非常低。 麻省理工学院的化学家现在已经证明，他们可以极大地增强低氧环境中细菌中发现的 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，以帮助提高其光合作用速度，从而有可能提高作物产量。 “我认为，这是成功改进 rubisco 酶特性的令人信服的证明，为设计其他形式的 rubisco 带来了很大的希望，”班级 Matthew Shoulders 说1942 年麻省理工学院化学教授。 Shoulders和化学系研究科学家罗伯特·威尔逊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. 麻省理工学院研究生朱莉·麦克唐纳 （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能量储存分子，例如 ATP。 在下一阶段在光合作用中，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个，称为羧化。 在该反应过程中，来自 CO2 的碳被添加到二磷酸核酮糖中。 与其他参与光合作用的酶相比，rubisco 非常慢，每秒仅催化 1 到 10 次反应。 此外，rubisco 还可以与氧气相互作用，导致含有氧而不是碳的竞争性反应——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，因为这些特征似乎可以通过改变酶的氨基酸序列来改善这些特征，”麦克唐纳说。 先前的研究导致rubisco的稳定性和溶解度得到改善，从而导致酶效率的小幅提高。 其中大部分研究使用了定向进化——一种技术，其中天然存在的蛋白质被随机突变，然后筛选出新的、理想的特征。 这个过程通常使用容易出错的 PCR 来完成，这是一种首先在体外（细胞外）产生突变的技术，通常只在靶基因中引入一个或两个突变。 在过去对 rubisco 的研究中，然后将这种突变库引入以相对于 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局限性限制了使用这种方法可以生成和筛选的突变总数。 手动诱变和选择步骤也会在多轮进化过程中增加更多时间。 麻省理工学院的团队使用了肩部实验室之前开发的一种较新的诱变技术，称为 MutaT7。 该技术使研究人员能够在活细胞，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度突变靶基因。 “我们的连续定向进化技术使您能够观察到比过去更多的酶突变，”麦克唐纳说。 更好的 rubisco 在这项研究中，研究人员从一种版本的 rubisco 开始，该版本是从被称为 Gallionellaceae 的半厌氧细菌家族中分离出来的，这是在自然界。 在定向进化实验中，在E. Coli，研究人员将微生物保存在大气中含氧的环境中，从而产生适应氧气的进化压力。 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 的抗氧性。 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相互作用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。 “这里的基本问题是：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？” “肩膀说。 “通过定向进化过程发生的变化是，rubisco 开始喜欢与氧气发生反应。 那让这种 rubisco 在富氧环境中正常运作，通常它会不断分心并与氧气发生反应，这是你不希望它这样做的。 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会损失大约 30% 的阳光能量，当 rubisco 作用于氧气而不是二氧化碳时，就会发生光呼吸。 “这确实为许多令人兴奋的新研究打开了大门，它比过去主导 rubisco 工程的工程类型更进一步，”Wilson 说。 “农业生产力有明确的好处，可以通过更好的 rubisco 来利用。” 该研究的部分资金来自美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、安利捷水和食品系统实验室大挑战补助金以及 Martin 家族可持续发展协会奖学金。