在浩瀚的生物世界中，酶扮演着至关重要的角色，它们是生命活动中不可或缺的催化剂。其中，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）无疑是最引人注目的酶之一。作为地球上最丰富的蛋白质之一，Rubisco在光合作用中发挥着核心作用，它能够将大气中的二氧化碳转化为有机物，为地球上的绝大多数生物提供能量来源。然而，Rubisco的效率并不高，这在一定程度上限制了植物的光合作用效率和生物量的产量。因此，提高Rubisco的催化效率一直是科学家们研究的热点。
光合作用是地球上最重要的生物化学过程之一，它利用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物和氧气。这个过程不仅为植物自身提供能量，也为地球上几乎所有的生物提供了赖以生存的能量来源。Rubisco是光合作用中的关键酶，它催化二氧化碳与核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）的羧化反应，生成两个分子的3-磷酸甘油酸（3-PGA），这是卡尔文循环的起始步骤。卡尔文循环是一系列生物化学反应，它利用光合作用产生的能量将二氧化碳转化为葡萄糖等有机物。
尽管Rubisco在地球上的含量巨大，但其催化效率却相对较低。与其他酶相比，Rubisco的催化速率较慢，而且容易受到氧气的干扰。在氧气浓度较高的环境中，Rubisco会与氧气发生反应，导致光呼吸的发生。光呼吸不仅消耗能量，还会降低光合作用的效率。因此，提高Rubisco的催化效率和对氧气的抗性，对于提高植物的光合作用效率和生物量产量具有重要意义。
近年来，随着分子生物学和蛋白质工程技术的快速发展，科学家们开始尝试通过改造Rubisco来提高其催化效率。其中，定向进化是一种很有前景的方法。定向进化是一种模拟自然选择过程的实验方法，它通过对基因进行随机突变，然后筛选出具有所需特性的突变体。通过多轮的突变和筛选，可以逐步提高蛋白质的性能。
麻省理工学院（MIT）的化学家们最近在定向进化Rubisco方面取得了重要突破。他们以一种来自低氧环境细菌的Rubisco为研究对象，通过定向进化，成功地提高了该Rubisco的催化效率和对氧气的抗性。这项研究为提高植物Rubisco的效率，从而提高农作物产量开辟了新的途径。
这项研究的负责人，MIT化学系教授Matthew Shoulders表示，这是一项令人信服的成果，它展示了通过工程改造提高Rubisco酶学性质的可行性，为未来改造其他形式的Rubisco带来了希望。该研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。
Shoulders教授和化学系研究科学家Robert Wilson是这项研究的资深作者，论文的第一作者是MIT的研究生Julie McDonald。
为了提高Rubisco的效率，研究团队采用了名为MutaT7的定向进化技术。这种技术由Shoulders实验室开发，可以在活细胞中进行诱变和筛选，从而大大加快了进化过程。MutaT7技术还可以实现更高的基因突变率，从而产生更多的突变体供筛选。
McDonald解释说，他们使用的连续定向进化技术，能够筛选比过去更多的酶突变体。
研究人员从一种半厌氧细菌，Gallionellaceae菌株中分离出一种Rubisco，这种Rubisco是自然界中发现的催化效率最高的Rubisco之一。在定向进化实验中，研究人员将大肠杆菌置于大气氧气水平的环境中，从而产生了适应氧气的进化压力。
经过六轮的定向进化，研究人员发现了三个不同的突变，这些突变提高了Rubisco对氧气的抗性。这些突变都位于酶的活性位点附近，研究人员认为这些突变提高了酶优先与二氧化碳相互作用的能力，从而提高了羧化效率。
Shoulders说，这项研究的核心问题是：是否可以改变和提高Rubisco的动力学性质，使其在所需的环境中更好地发挥作用？通过定向进化过程，Rubisco开始减少与氧气反应。这使得Rubisco能够在富氧环境中良好地发挥功能，否则它会不断地与氧气发生反应，而这并不是人们所希望的。
目前，研究人员正在将这种方法应用于其他形式的Rubisco，包括来自植物的Rubisco。据信，植物由于Rubisco与氧气发生反应，而不是与二氧化碳发生反应，会损失约30%的太阳能。
Wilson表示，这项研究为许多令人兴奋的新研究打开了大门，并且超越了过去主导Rubisco工程的类型。通过更好的Rubisco，可以提高农业生产力。
这项研究得到了美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水与粮食系统实验室大挑战基金和马丁家庭可持续发展协会奖学金的部分资助。
Rubisco：光合作用的核心与效率瓶颈
Rubisco，全称核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶，是地球上数量最多的蛋白质之一，也是光合作用中至关重要的酶。它催化二氧化碳与核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）的羧化反应，将无机碳转化为有机碳，为地球上的绝大多数生物提供能量来源。然而，Rubisco的效率并不高，这在一定程度上限制了植物的光合作用效率和生物量的产量。因此，提高Rubisco的催化效率一直是科学家们研究的热点。
定向进化：改造Rubisco的新策略
传统的蛋白质工程方法，如定点突变和理性设计，在改造Rubisco方面取得了一些进展，但效果并不显著。定向进化是一种很有前景的方法，它模拟自然选择过程，通过对基因进行随机突变，然后筛选出具有所需特性的突变体。通过多轮的突变和筛选，可以逐步提高蛋白质的性能。定向进化不需要对蛋白质的结构和功能有深入的了解，因此可以用于改造那些结构复杂、功能机制不明确的蛋白质，如Rubisco。
MIT的突破：提高Rubisco的催化效率和抗氧性
麻省理工学院（MIT）的化学家们最近在定向进化Rubisco方面取得了重要突破。他们以一种来自低氧环境细菌的Rubisco为研究对象，通过定向进化，成功地提高了该Rubisco的催化效率和对氧气的抗性。这项研究为提高植物Rubisco的效率，从而提高农作物产量开辟了新的途径。MIT的研究团队采用了名为MutaT7的定向进化技术，这种技术可以在活细胞中进行诱变和筛选，从而大大加快了进化过程。经过六轮的定向进化，研究人员发现了三个不同的突变，这些突变提高了Rubisco对氧气的抗性。这些突变都位于酶的活性位点附近，研究人员认为这些突变提高了酶优先与二氧化碳相互作用的能力，从而提高了羧化效率。
定向进化Rubisco的意义与前景
MIT的研究成果为提高植物Rubisco的效率开辟了新的途径。通过定向进化，可以筛选出具有更高催化效率和抗氧性的Rubisco突变体，从而提高植物的光合作用效率和生物量产量。这对于解决全球粮食安全问题具有重要意义。此外，定向进化Rubisco还可以应用于其他领域，如生物燃料生产和二氧化碳减排。例如，可以将高效的Rubisco用于改造藻类，提高其光合作用效率，从而提高生物燃料的产量。此外，还可以将高效的Rubisco用于改造植物，使其能够更好地吸收二氧化碳，从而减少大气中的二氧化碳含量。
Rubisco的结构与功能
Rubisco是一种复杂的寡聚体酶，由8个大的催化亚基和8个小的调节亚基组成。大的催化亚基负责催化二氧化碳与RuBP的羧化反应，小的调节亚基则负责调节酶的活性。Rubisco的活性位点位于大的催化亚基中，它包含一个金属离子（通常是镁离子），该金属离子对于RuBP的结合和羧化反应的进行至关重要。
Rubisco的催化机制非常复杂，它包括多个步骤，如RuBP的结合、二氧化碳的活化、羧化反应的进行和产物的释放。Rubisco的催化效率受到多种因素的影响，如温度、pH值、二氧化碳浓度和氧气浓度。在氧气浓度较高的环境中，Rubisco会与氧气发生反应，导致光呼吸的发生。光呼吸不仅消耗能量，还会降低光合作用的效率。
Rubisco的进化与多样性
Rubisco在地球上存在了数十亿年，经历了漫长的进化过程。在不同的生物中，Rubisco的结构和功能存在一定的差异。例如，植物中的Rubisco通常比细菌中的Rubisco具有更高的催化效率，但对氧气的抗性也较低。科学家们对Rubisco的进化和多样性进行了广泛的研究，发现Rubisco的进化受到了多种因素的影响，如环境条件、生物的代谢需求和基因的突变。
提高Rubisco效率的策略
提高Rubisco效率的策略有很多，包括定向进化、定点突变、理性设计、代谢工程和基因工程。定向进化是一种很有前景的方法，它可以筛选出具有所需特性的Rubisco突变体。定点突变和理性设计是基于对Rubisco结构和功能的了解，通过改变特定的氨基酸残基来提高酶的性能。代谢工程和基因工程是通过改变植物的代谢途径或基因表达来提高Rubisco的效率。
Rubisco与粮食安全
提高Rubisco的效率对于解决全球粮食安全问题具有重要意义。随着人口的增长和气候的变化，粮食需求日益增加。提高农作物的光合作用效率和生物量产量，可以增加粮食的供应，从而满足不断增长的粮食需求。Rubisco是光合作用中的关键酶，提高Rubisco的效率可以显著提高农作物的光合作用效率和生物量产量。
Rubisco与生物燃料
Rubisco还可以应用于生物燃料生产。生物燃料是一种可再生的能源，它可以替代传统的化石燃料，减少对环境的污染。藻类是一种很有前景的生物燃料来源，它们具有光合作用效率高、生长速度快和适应性强等优点。通过改造藻类的Rubisco，可以提高其光合作用效率，从而提高生物燃料的产量。
Rubisco与二氧化碳减排
Rubisco还可以用于二氧化碳减排。大气中的二氧化碳是导致全球气候变暖的主要原因之一。通过改造植物的Rubisco，使其能够更好地吸收二氧化碳，可以减少大气中的二氧化碳含量，从而减缓全球气候变暖。此外，还可以将高效的Rubisco用于改造微生物，使其能够将二氧化碳转化为有用的化学品，从而实现二氧化碳的资源化利用。
结论与展望
Rubisco是光合作用中的关键酶，提高Rubisco的效率对于解决全球粮食安全问题、发展生物燃料和减少二氧化碳排放具有重要意义。随着分子生物学和蛋白质工程技术的快速发展，相信在不久的将来，科学家们将能够开发出更加高效的Rubisco，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
