网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

MIT团队定向改造光合作用关键酶,催化效率提升25%

0
分享至

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

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
这次庾澄庆的爆料,没给王菲留一丝体面,难怪李亚鹏选择和她离婚

这次庾澄庆的爆料,没给王菲留一丝体面,难怪李亚鹏选择和她离婚

冷紫葉
2025-12-31 15:07:30
下一个闫学晶?赵本山没想到,离春节不到1个月,何庆魁也翻车了

下一个闫学晶?赵本山没想到,离春节不到1个月,何庆魁也翻车了

以茶带书
2026-01-24 13:17:52
雪中“最美滑痕”遭质疑?警方回应

雪中“最美滑痕”遭质疑?警方回应

环球网资讯
2026-01-24 08:26:59
3-2逆转进四强!国乒20岁新星崛起:林诗栋出局,他冲击两连冠?

3-2逆转进四强!国乒20岁新星崛起:林诗栋出局,他冲击两连冠?

李喜林篮球绝杀
2026-01-23 18:18:07
在蒋家控制下的台湾地区,民进党是如何产生的?并且赢下了国民党

在蒋家控制下的台湾地区,民进党是如何产生的?并且赢下了国民党

叹为观止易
2026-01-23 14:46:20
美国正式退出世卫组织,仍欠费2.6亿美元,尚未支付2024年和2025年度应缴款项

美国正式退出世卫组织,仍欠费2.6亿美元,尚未支付2024年和2025年度应缴款项

每日经济新闻
2026-01-22 15:11:50
【话题】曼联花1.19亿英镑用卡塞米罗4年,值不值得?

【话题】曼联花1.19亿英镑用卡塞米罗4年,值不值得?

体坛周报
2026-01-23 13:13:11
雪上加霜,布克90度崴脚伤退太阳一场伤俩主力,离场前三节就得31分

雪上加霜,布克90度崴脚伤退太阳一场伤俩主力,离场前三节就得31分

懂球帝
2026-01-24 11:11:10
做完手术人就废了,这5种手术不需要做,别让无知害了自己

做完手术人就废了,这5种手术不需要做,别让无知害了自己

华庭讲美食
2026-01-19 14:27:13
5-7,申花点球大战不敌俄超劲旅 拉唐+吴曦进球 盖伊支点作用突出

5-7,申花点球大战不敌俄超劲旅 拉唐+吴曦进球 盖伊支点作用突出

替补席看球
2026-01-24 00:45:09
再见,拜仁!后防“标王”转投切尔西!孔帕尼钦定签下1.95亿强援

再见,拜仁!后防“标王”转投切尔西!孔帕尼钦定签下1.95亿强援

头狼追球
2026-01-23 13:56:16
深夜利空,3个光伏龙头亏200亿,6个龙头年报巨亏,别踩雷

深夜利空,3个光伏龙头亏200亿,6个龙头年报巨亏,别踩雷

鹏哥投研
2026-01-24 09:23:38
日本全锦赛女单4强:早田希娜4-0佐藤瞳,张本美和逆转长崎

日本全锦赛女单4强:早田希娜4-0佐藤瞳,张本美和逆转长崎

五姑娘台球
2026-01-24 13:18:56
洗衣机的12种错误用法,多亏被提醒,90%都做错了!

洗衣机的12种错误用法,多亏被提醒,90%都做错了!

装修秀
2026-01-20 11:40:03
沙溢14岁儿子晒英国留学生活,住单人宿舍吃火鸡面,春节没有放假

沙溢14岁儿子晒英国留学生活,住单人宿舍吃火鸡面,春节没有放假

有范又有料
2026-01-23 16:05:58
多地合并退役军人事务局,释放了什么信号

多地合并退役军人事务局,释放了什么信号

中国新闻周刊
2026-01-24 11:42:39
为让肝癌父亲活多2年,每21天得跑一趟治疗,我咬牙扛下110万重担

为让肝癌父亲活多2年,每21天得跑一趟治疗,我咬牙扛下110万重担

周哥一影视
2026-01-24 10:39:38
北京下最后通牒?新加坡连夜撕毁半世纪盟约,赖清德彻底崩了!

北京下最后通牒?新加坡连夜撕毁半世纪盟约,赖清德彻底崩了!

恋人眼中的女孩
2026-01-24 03:01:03
李银桥在回忆录中提及毛岸英牺牲需由彭德怀承担一定责任,但这一表述缺乏充分依据,难以成立

李银桥在回忆录中提及毛岸英牺牲需由彭德怀承担一定责任,但这一表述缺乏充分依据,难以成立

史海残云
2025-12-23 11:22:17
白雨露夺得WSF女子锦标赛冠军,首次登上世界第一

白雨露夺得WSF女子锦标赛冠军,首次登上世界第一

懂球帝
2026-01-24 01:25:05
2026-01-24 14:00:49
DeepTech深科技 incentive-icons
DeepTech深科技
麻省理工科技评论独家合作
16169文章数 514532关注度
往期回顾 全部

科技要闻

特斯拉Cybercrab即将落地 每公里不到1块钱

头条要闻

女子患癌为筹钱治病卖掉劳力士 收16万元后账户被冻结

头条要闻

女子患癌为筹钱治病卖掉劳力士 收16万元后账户被冻结

体育要闻

当家球星打替补,他们在故意摆烂?

娱乐要闻

李微漪更新:狼王格林去世,3字泪目

财经要闻

“百年老字号”张小泉遭60亿债务压顶

汽车要闻

有增程和纯电版可选 日产NX8或于3-4月间上市

态度原创

本地
时尚
教育
游戏
公开课

本地新闻

云游中国|格尔木的四季朋友圈,张张值得你点赞

不一定能掀桌男主,但一定是个好演员!

教育要闻

刷到就是大数据认为你要进复试啦!

Mojang高管:玩《Hytale》还不如直接玩《我的世界》

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版