Nature | 植物光合碳同化关键酶Rubisco的“序列—功能”全景图

Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶） 是生物圈中最重要的酶之一，负责催化大气中的二氧化碳（CO2）与核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）反应生成甘油酸-3-磷酸（PGA），这是光合作用中碳同化的第一步。然而，Rubisco的催化效率相对较低，且易受氧气（O2）的竞争性抑制，导致光呼吸过程的发生，进而降低碳同化效率。因此，如何提高Rubisco的催化效率和特异性一直是光合作用研究领域的热点和难点。

近日，美国加州大学David Savage实验室在Nature上发表了题为A map of the rubisco biochemical landscape的研究论文。该研究绘制了Rubisco的“序列—功能”全景图，为理解Rubisco的进化、化学机制及其在生物体内的功能提供了新的视角。研究结果不仅有助于揭示Rubisco在光合作用中的关键作用，还为通过基因工程手段改造Rubisco、提高光合作用效率提供了理论基础。此外，随着全球气候变化的加剧，提高生态系统的碳固定能力成为应对气候变化的重要策略之一。Rubisco作为光合作用碳同化的关键酶，其活性和效率的提高对于增强生态系统碳汇功能具有重要意义。

该研究利用大肠杆菌（Escherichia coli）作为表达系统，通过高通量筛选技术，对来自紫色非硫细菌罗氏红螺菌（Rhodospirillum rubrum）的II型Rubisco进行了系统的突变分析。研究团队构建了包含超过99%单氨基酸突变体的Rubisco库，并通过在不同CO2浓度下的生长实验，评估了这些突变体的催化效率和CO2亲和力。研究结果表明，尽管Rubisco的催化效率普遍较低，但通过单氨基酸突变，可以显著提高其对CO2的亲和力，而不影响其催化活性。此外，该研究还发现了一些高度保守的位点，这些位点虽然对突变较为敏感，但通过合理的突变设计，仍有可能在不牺牲催化活性的前提下提高其CO2亲和力。在深入研究Rubisco的进化历程时，研究团队发现，随着氧光合作用的进化，Rubisco也在不断地适应和进化。特别是I型Rubisco，通过进化出辅助小亚基，显著提高了其对CO2的特异性和羧化效率。

综上所述，该研究为Rubisco的进一步研究和改造提供了资源和理论基础。未来，研究人员可以进一步探索Rubisco的突变空间，寻找更多能够提高催化效率和特异性的突变位点。同时，还可以尝试将这些突变位点引入到植物Rubisco中，通过基因编辑技术创制出具有更高光合作用效率的作物新种质。此外，随着对Rubisco结构和功能机制的深入了解，未来还有可能开发出新型的光合作用系统或人工光合作用装置，为解决全球粮食安全和能源危机提供新的途径。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08455-0