能否设计出更快、更高效的光合作用？

能否设计出更快、更高效的光合作用？

光合作用是地球上最重要的碳捕获过程，而 Rubisco 酶是这一过程中的关键角色。然而，这种酶的效率并不高，速度慢且容易出错。最近，创新基因组学研究所（IGI）的研究团队通过基因工程手段对 Rubisco 进行改造，发现了一些能够显著提高其对二氧化碳亲和力的突变，为设计更高效的光合作用系统提供了新的可能性。

世界各地的研究人员都在研究从大气中捕获碳的新技术，但许多方法都存在一个关键指标不足：它们的规模化能力。然而，大自然已经开发出了解决这个问题的方法：植物、藻类和光合作用生物菌是世界上去除大气中二氧化碳 (CO2) 的最佳工具。这项工作大部分是由一个人完成的酶：Rubisco 是地球上最丰富的酶，每年负责捕获约 100 千兆吨的碳。

Rubisco 可以说是地球上最重要的酶，但它远非完美：与许多其他酶相比，它的速度相当慢，而且会出错，意外地与氧气而不是二氧化碳发生反应。在自然系统中，似乎存在一种权衡：犯错较少的 Rubisco 变体速度较慢，而更快的版本更容易出错。在由 IGI 研究员 Dave Savage 和第一作者 Noam Prywes 领导的团队绘制了突变体Rubisco 分子的功能远远超出了自然界中已观察到的范围，并且找到了新的、未探索的方法来改善和定制其功能。

萨维奇说：“对 Rubisco 进行工程改造将会产生极为深远的影响，因为我们可以提高植物吸收二氧化碳的能力，特别是适应未来大气条件的能力。”

戴夫·萨维奇 (Dave Savage) 在加州大学伯克利分校 IGI 大楼的实验室里。

探索 Rubisco 景观

虽然 Rubisco 分子在生命之树的各个分支中都存在变体，以适应不同的环境，但数百万年的进化调整并未产生一种既快速又准确的酶，至少科学家尚未发现这种酶。但即使速度和准确性之间的权衡是酶固有的（这是一个悬而未决的问题），基因工程也可以让科学家选择在作物工程、生物碳捕获、生物工程等领域的特定应用中具有最佳平衡的版本。

“我们想要做的是创建 Rubisco 功能的高通量数据集，以便我们能够更好地了解其权衡，”Prywes 说。“如果你可以创建 Rubisco 功能的数据集，原则上你也可以选择具有你想要的特定应用行为的 Rubisco。”

IGI 外面的 Noam Prywes。

在这个项目中，该团队正在寻找不同的突变如何影响酶的速度及其对二氧化碳的亲和力，这决定了它的准确性。为此，该团队与魏茨曼研究所 Ron Milo 实验室的合作者合作，设计了一种依赖于 Rubisco 的大肠杆菌菌株。在自然界中，大肠杆菌根本不使用 Rubisco，但这种工程菌株没有它就无法生存。该团队能够将细菌的生长与其 Rubisco 分子的速度关联起来——生长越快，酶就越快——这为他们提供了一种测量变化对大肠杆菌的影响的方法。

“我们进行了所谓的‘深度突变扫描’，对每一个氨基酸“我们首先对酶的突变体进行了筛选。最终我们得到了近 9,000 个突变体。然后我们在一个池子里对它们进行了筛选，”Prywes 说道。

问题是，这些单点突变是否显著改变了 Rubisco 分子在 CO2 存在下的性能。大多数突变没有影响，而有些突变降低了它对 CO2 的亲和力，使其更容易出错。但有几个突变与众不同。“令我们感到惊喜的是，有四个突变不受所有噪音的影响，提高了对 CO2 的亲和力，”Prywes 说。

研究团队通过实验验证了其中两种突变，预测它们的准确率会略有提高，约为 20% 或更低，但他们又得到了另一个有趣的惊喜。一种突变体的 CO2 亲和力大约增加了一倍，另一种突变体的 CO2 亲和力大约增加了三倍。与自然系统一样，它们也未能逃脱权衡：虽然这些突变体的 COXNUMX 亲和力显著提高，但它们的工作速度非常缓慢。

“我们很高兴看到仅通过一次突变就能产生如此巨大的变化，但重要的是要记住这只是一个开始，”萨维奇说。“通过结合更多数据和机器学习方法，我们认为我们可以设计出用于植物的改良变体，并可能超越权衡。”

该团队现在正从相反的方向重复这项实验：用氧气代替二氧化碳测试突变，以观察错误率。最终目标是填满 Rubisco 景观的完整地图，以便针对特定应用进行定制设计。

这项研究的部分资金来自美国国立卫生研究院拨款 K99GM141455-01 (NP)、美国能源部物理生物科学计划、奖励编号 DE-SC0016240 (DFS)。Dave Savage 是霍华德休斯医学研究所的研究员。

了解更多：

• Rubisco 生化景观图。Prywes 等人（2025 年），自然.https://www.nature.com/articles/s41586-024-08455-0