A map of the rubisco biochemical landscape
近日，国际知名学术期刊《Nature》在线发表了美国加州大学伯克利分校Noam Prywes和David F. Savage团队的最新研究成果。该团队通过构建一个包含近9000种单氨基酸突变的Rubisco突变体库，并借助工程化大肠杆菌进行高通量筛选，成功筛选出多个能够显著提高Rubisco对二氧化碳亲和力的突变位点，深入揭示了Rubisco酶功能与氨基酸序列之间的复杂关系。这一突破性进展不仅为理解Rubisco酶的催化机制提供了新的视角，也为通过基因工程优化Rubisco酶性能、提高光合作用效率开辟了新的途径。
Rubisco作为光合作用中碳固定的关键酶，在植物、藻类及多种细菌中广泛存在。然而，其较低的催化效率以及与氧气发生副反应的倾向，导致了能量的浪费。长期以来，科学家们致力于通过蛋白质工程改造Rubisco以提升其性能，但因该酶复杂的结构与功能关系，研究进展一直较为有限。传统的研究方法需要对每个突变体进行纯化和生化分析，这一过程不仅耗时，而且效率低下。
为突破这些瓶颈，研究团队创新性地构建了一个包含8760种突变的近乎完整的单氨基酸突变体库。通过利用一种 specially engineered 大肠杆菌菌株进行高通量筛选，该团队成功地快速评估了突变体的功能。这种大肠杆菌菌株的生长速率与Rubisco的羧化活性成正比，从而提供了一种高效、快速的筛选手段。此外，研究团队还运用动力学模型对突变体与二氧化碳的亲和力进行了分析，并验证了部分突变体的功能。这一创新方法不仅显著提高了研究效率，还为未来通过基因工程优化Rubisco酶性能、提升光合作用效率开辟了新的途径。
研究发现，少数单氨基酸突变可显著提升Rubisco对二氧化碳的亲和力，增幅高达2-3倍。尽管这些高亲和力突变体的催化速率略有下降，但其生化特性与植物或藻类的Rubisco更为相似，而非细菌来源的酶。这一发现凸显了Rubisco功能与氨基酸序列间的复杂关联，单个氨基酸替换可能对酶的进化历程产生重大影响。
这项研究为Rubisco的蛋白质工程提供了宝贵的基础数据，展示了通过单点突变优化酶功能的潜力。研究团队通过高通量筛选和系统分析，全面绘制了Rubisco的序列-功能图谱，揭示了其生化功能的多样性和潜在的工程改进空间。尽管目前发现的突变体在催化速率和亲和力之间存在权衡，但这一方法为未来设计多突变组合库奠定了基础，有望进一步揭示Rubisco的进化机制并优化其性能。此外，该研究还为其他酶的工程化改造提供了新的思路和技术支持。通过这种创新方法，科学家们不仅能够提高Rubisco的性能，还能为提高光合作用效率和应对全球气候变化提供潜在的技术路径。
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