（MIT News）

光相助用是当然界将二氧化碳调度为糖类的中枢过程，而其中最要道的一步，是由 Rubisco 酶防卫完成的碳固定反馈。这种名为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的酶，被称为“地球上最丰富的卵白质”，却同期以低服从著称。

近日，麻省理工学院（MIT）的化学家们示意，他们通过一种活细胞内运行的归并定向进化平台，对低氧环境下细菌中发现的一种 Rubisco 进行快速突变与筛选，凯旋获取在富氧环境中也能高效催化的“进化版”Rubisco，催化服从种植最高可达 25%。

连络东说念主员但愿将这种能力进一步应用于植物 Rubisco 的工程立异，以种植光相助用服从，最终有望带来农作物产量的种植。

“我觉得，这是一次凯旋立异 Rubisco 酶学性质的有劲展示，为其他类型 Rubisco 的工程提供了很大但愿，”MIT 化学系训导 Matthew Shoulders 示意。

该连络由 Shoulders 和连络科学家 Robert Wilson 共同指点，MIT 连络生 Julie McDonald 是第一作家，关系论文已发表在《好意思国国度科学院院刊》（PNAS）。

为什么 Rubisco“慢”且“难改”？

在光相助用中，阳光当先被调度为储能分子如 ATP，随后细胞诓骗这些能量将核酮糖二磷酸（RuBP）调度为糖类。而 Rubisco 恰是完成这个过程第一步的酶——它将二氧化碳加到 RuBP上，触发后续的碳固定进程。

问题是，Rubisco 催化速率相称慢——每秒最多完成 10 个反馈，还容易犯“标的性谬误”：它未必会把氧气当成底物，启动无效反馈。这种“光呼吸”过程在植物中十分常见，能量损耗高达 30%，是植物光合服从种植的主要瓶颈之一。

这也让 Rubisco 成为卵白质工程鸿沟的“老浩劫”：太热切但又太难改。

“对卵白质工程师来说，这是相称有蛊惑力的一组问题，因为这些特点看起来不错通过立异酶的氨基酸序列进行改善”。McDonald 说。

当年的连络尝试种植 Rubisco 的雄厚性或融化性，取得了小幅度的性能改善。大多量能力依赖于“谬误 PCR”——一种在试管中连忙突变 DNA 再导入细菌筛选的传统妙技，但这一进程突变服从低、筛选限制小、周期长。

MIT 团队接收的是一种更新颖的诱变平台“MutaT7”，由 Shoulders 实验室缔造。这一系统允许在活细胞中径直进行突变并筛选，大幅种植了实验服从。它结合了定向诱变酶与 RNA 团聚酶靶标系统，在意见基因上完结高频突变，同期结合细胞助长速率行为“活性读出”盘算。

McDonald 示意：“咱们这个归并定向进化本事让你能不雅察比以往多得多的酶突变。”

连络东说念主员将突变后的 Rubisco 基因导入大肠杆菌，并将细菌置于含氧环境中，这种要求对原始的 Rubisco 版块相称不利，从而酿成进化遴选压力。唯一那些“得当空气”的 Rubisco 突变体能守旧细胞平日助长。

从表面上讲，这种活体筛选形势不错一轮选出上千个变异体，比当年需要十几轮东说念主工突变和筛选的进程要快得多。

连络团队筛选了六轮进化后，凯旋识别出三种突变体：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馈。

结构分析涌现，这三个突变点位于 Rubisco 酶的活性位点隔邻，可能通过影响底物参预通说念或蜕变局部构象，使酶更倾向于遴选 CO₂ 而不是 O₂。

其中最有用的突变体 E40K，在空气要求下合座催化服从种植了 25%，T29A 和 R337C 也差别带来了 11% 和 8% 的种植。这些突变体不仅在高氧要求下服从种植，况兼在低氧要求下发扬略有下落，证明其“得当空气”的特点是定向演化的径直罢了。

固然本次实验对象是来自Gallionellaceae细菌的 Rubisco（属于 Form II 类），但 MIT 团队觉得他们的能力不错施行到植物 Rubisco（Form I 类）上。

“你能否蜕变并改善 Rubisco 的能源学特点，使其更好地在你但愿的环境中运行？”Shoulders 训导说，“在定向进化过程中发生的变化，是 Rubisco 驱动不可爱与氧气反馈了。这让它能在富氧环境中更有用地责任，而不会常常犯谬误。”

这关于农业具有径直意旨。因为光呼吸严重限度了作物产量，而 Rubisco 的“误判”恰是根源之一。

连络科学家 Robert Wilson 转头说：“这确乎为很多令东说念主郁勃的新连络大开了大门，它突出了当年主导 Rubisco 工程的工程类型。农业坐褥力有明确的平允，不错通过更好的 Rubisco 来诓骗。”

除了发现更好的 Rubisco 以外，MutaT7 平台自身也显表示泛泛应用出息。由于其能在细胞内径直完成诱变与功能筛选，寥落得当对结构复杂、性能明锐的酶进行立异。

将来，这种计谋也可能用于工业生物催化剂的优化，或合成代谢通路中的要道节点酶立异。

正如 McDonald 在论文中指出的：“Rubisco 一直被觉得是难以进化的卵白，但咱们的能力诠释，它仍有种植空间。”

在碳中庸、农业增产与东说念主工光合系统连络日益受到护理的今天，这项服从为“立异当然”的可能性提供了有劲示范。

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

2.https://doi.org/10.1073/pnas.2505083122欧洲杯体育