来源：深科技
（来源：MIT News）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 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 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”，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 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 酶学性质的有力展示，为其他类型 的工程提供了很大希望，”MIT 化学系教授 表示。
该研究由 和研究科学家 共同领导，MIT 研究生 Julie 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 “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 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， 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 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”。 说。
过去的研究尝试提升 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“”，由 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。
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 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 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 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 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 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 细菌的 （属于 Form II 类），但 MIT 团队认为他们的方法可以推广到植物 （Form I 类）上。
“你能否改变并改善 的动力学特性，使其更好地在你希望的环境中运行？” 教授说，“在定向进化过程中发生的变化，是 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 的“误判”正是根源之一。
研究科学家 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 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 来利用。”
除了发现更好的 之外， 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 在论文中指出的：“ 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。
原文链接：
1.2025/
2.10.1073/pnas.
