MIT团队定向改造光合作用关键酶，催化效率提升25%

光合作用是自然界将二氧化碳转化为糖类的核心过程，而其中最关键的一步，是由 Rubisco 酶负责完成的碳固定反应。这种名为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的酶，被称为“地球上最丰富的蛋白质”，却同时以低效率著称。

近日，麻省理工学院（MIT）的化学家们表示，他们通过一种活细胞内运行的连续定向进化平台，对低氧环境下细菌中发现的一种 Rubisco 进行快速突变与筛选，成功获得在富氧环境中也能高效催化的“进化版”Rubisco，催化效率提升最高可达 25%。

研究人员希望将这种方法进一步应用于植物 Rubisco 的工程改造，以提升光合作用效率，最终有望带来农作物产量的提升。

“我认为，这是一次成功改进 Rubisco 酶学性质的有力展示，为其他类型 Rubisco 的工程提供了很大希望，”MIT 化学系教授 Matthew Shoulders 表示。

该研究由 Shoulders 和研究科学家 Robert Wilson 共同领导，MIT 研究生 Julie McDonald 是第一作者，相关论文已发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

为什么 Rubisco“慢”且“难改”？

在光合作用中，阳光首先被转化为储能分子如 ATP，随后细胞利用这些能量将核酮糖二磷酸（RuBP）转化为糖类。而 Rubisco 正是完成这个过程第一步的酶——它将二氧化碳加到 RuBP上，触发后续的碳固定流程。

问题是，Rubisco 催化速度非常慢——每秒最多完成 10 个反应，还容易犯“方向性错误”：它有时会把氧气当成底物，启动无效反应。这种“光呼吸”过程在植物中十分常见，能量损耗高达 30%，是植物光合效率提升的主要瓶颈之一。

这也让 Rubisco 成为蛋白质工程领域的“老大难”：太重要但又太难改。

“对蛋白质工程师来说，这是非常有吸引力的一组问题，因为这些特性看起来可以通过改造酶的氨基酸序列进行改善”。McDonald 说。

过去的研究尝试提升 Rubisco 的稳定性或溶解性，取得了小幅度的性能改善。大多数方法依赖于“误差 PCR”——一种在试管中随机突变 DNA 再导入细菌筛选的传统手段，但这一流程突变效率低、筛选规模小、周期长。

MIT 团队采用的是一种更新颖的诱变平台“MutaT7”，由 Shoulders 实验室开发。这一系统允许在活细胞中直接进行突变并筛选，大幅提升了实验效率。它结合了定向诱变酶与 RNA 聚合酶靶标系统，在目标基因上实现高频突变，同时结合细胞生长速度作为“活性读出”指标。

McDonald 表示：“我们这个连续定向进化技术让你能观察比以往多得多的酶突变。”

研究人员将突变后的 Rubisco 基因导入大肠杆菌，并将细菌置于含氧环境中，这种条件对原始的 Rubisco 版本非常不利，从而形成进化选择压力。只有那些“适应空气”的 Rubisco 突变体能支持细胞正常生长。

从理论上讲，这种活体筛选方式可以一轮选出上千个变异体，比过去需要十几轮人工突变和筛选的流程要快得多。

研究团队筛选了六轮进化后，成功识别出三种突变体：T29A、E40K 和 R337C。它们的共同点是——让 Rubisco 在有氧环境中不再“出错”，更专一地与二氧化碳反应。

结构分析显示，这三个突变点位于 Rubisco 酶的活性位点附近，可能通过影响底物进入通道或改变局部构象，使酶更倾向于选择 CO₂ 而不是 O₂。

其中最有效的突变体 E40K，在空气条件下整体催化效率提升了 25%，T29A 和 R337C 也分别带来了 11% 和 8% 的提升。这些突变体不仅在高氧条件下效率提升，而且在低氧条件下表现略有下降，说明其“适应空气”的特性是定向演化的直接结果。

虽然本次实验对象是来自Gallionellaceae细菌的 Rubisco（属于 Form II 类），但 MIT 团队认为他们的方法可以推广到植物 Rubisco（Form I 类）上。

“你能否改变并改善 Rubisco 的动力学特性，使其更好地在你希望的环境中运行？”Shoulders 教授说，“在定向进化过程中发生的变化，是 Rubisco 开始不喜欢与氧气反应了。这让它能在富氧环境中更有效地工作，而不会频繁犯错误。”

这对于农业具有直接意义。因为光呼吸严重限制了作物产量，而 Rubisco 的“误判”正是根源之一。

研究科学家 Robert Wilson 总结说：“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。农业生产力有明确的好处，可以通过更好的 Rubisco 来利用。”

除了发现更好的 Rubisco 之外，MutaT7 平台本身也显示出广泛应用前景。由于其能在细胞内直接完成诱变与功能筛选，特别适合对结构复杂、性能敏感的酶进行改造。

未来，这种策略也可能用于工业生物催化剂的优化，或合成代谢通路中的关键节点酶改造。

正如 McDonald 在论文中指出的：“Rubisco 一直被认为是难以进化的蛋白，但我们的方法证明，它仍有提升空间。”

在碳中和、农业增产与人工光合系统研究日益受到关注的今天，这项成果为“改造自然”的可能性提供了有力示范。

1.https://news.mit.edu/2025/mit-chemists-boost-efficiency-key-enzyme-photosynthesis-0707

2.https://doi.org/10.1073/pnas.2505083122