（來源：MIT News）

光合作用是自然界將二氧化碳轉化為糖類的核心過程，而其中最關鍵的一步，是由 Rubisco 酶負責完成的碳固定反應。這種名為核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的酶，被稱為“地球上最豐富的蛋白質”，卻同時以低效率著稱。

近日，麻省理工學院（MIT）的化學家們表示，他們通過一種活細胞內運行的連續定向進化平臺，對低氧環境下細菌中發現的一種 Rubisco 進行快速突變與篩選，成功獲得在富氧環境中也能高效催化的“進化版”Rubisco，催化效率提升最高可達 25%。

研究人員希望將這種方法進一步應用于植物 Rubisco 的工程改造，以提升光合作用效率，最終有望帶來農作物產量的提升。

“我認為，這是一次成功改進 Rubisco 酶學性質的有力展示，為其他類型 Rubisco 的工程提供了很大希望，”MIT 化學系教授 Matthew Shoulders 表示。

該研究由 Shoulders 和研究科學家 Robert Wilson 共同領導，MIT 研究生 Julie McDonald 是第一作者，相關論文已發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）。

為什么 Rubisco“慢”且“難改”？

在光合作用中，陽光首先被轉化為儲能分子如 ATP，隨后細胞利用這些能量將核酮糖二磷酸（RuBP）轉化為糖類。而 Rubisco 正是完成這個過程第一步的酶——它將二氧化碳加到 RuBP上，觸發后續的碳固定流程。

問題是，Rubisco 催化速度非常慢——每秒最多完成 10 個反應，還容易犯“方向性錯誤”：它有時會把氧氣當成底物，啟動無效反應。這種“光呼吸”過程在植物中十分常見，能量損耗高達 30%，是植物光合效率提升的主要瓶頸之一。

這也讓 Rubisco 成為蛋白質工程領域的“老大難”：太重要但又太難改。

“對蛋白質工程師來說，這是非常有吸引力的一組問題，因為這些特性看起來可以通過改造酶的氨基酸序列進行改善”。McDonald 說。

過去的研究嘗試提升 Rubisco 的穩定性或溶解性，取得了小幅度的性能改善。大多數方法依賴于“誤差 PCR”——一種在試管中隨機突變 DNA 再導入細菌篩選的傳統手段，但這一流程突變效率低、篩選規模小、周期長。

MIT 團隊采用的是一種更新穎的誘變平臺“MutaT7”，由 Shoulders 實驗室開發。這一系統允許在活細胞中直接進行突變并篩選，大幅提升了實驗效率。它結合了定向誘變酶與 RNA 聚合酶靶標系統，在目標基因上實現高頻突變，同時結合細胞生長速度作為“活性讀出”指標。

McDonald 表示：“我們這個連續定向進化技術讓你能觀察比以往多得多的酶突變?！?/p>

研究人員將突變后的 Rubisco 基因導入大腸桿菌，并將細菌置于含氧環境中，這種條件對原始的 Rubisco 版本非常不利，從而形成進化選擇壓力。只有那些“適應空氣”的 Rubisco 突變體能支持細胞正常生長。

從理論上講，這種活體篩選方式可以一輪選出上千個變異體，比過去需要十幾輪人工突變和篩選的流程要快得多。

研究團隊篩選了六輪進化后，成功識別出三種突變體：T29A、E40K 和 R337C。它們的共同點是——讓 Rubisco 在有氧環境中不再“出錯”，更專一地與二氧化碳反應。

結構分析顯示，這三個突變點位于 Rubisco 酶的活性位點附近，可能通過影響底物進入通道或改變局部構象，使酶更傾向于選擇 CO? 而不是 O?。

其中最有效的突變體 E40K，在空氣條件下整體催化效率提升了 25%，T29A 和 R337C 也分別帶來了 11% 和 8% 的提升。這些突變體不僅在高氧條件下效率提升，而且在低氧條件下表現略有下降，說明其“適應空氣”的特性是定向演化的直接結果。

雖然本次實驗對象是來自Gallionellaceae細菌的 Rubisco（屬于 Form II 類），但 MIT 團隊認為他們的方法可以推廣到植物 Rubisco（Form I 類）上。

“你能否改變并改善 Rubisco 的動力學特性，使其更好地在你希望的環境中運行？”Shoulders 教授說，“在定向進化過程中發生的變化，是 Rubisco 開始不喜歡與氧氣反應了。這讓它能在富氧環境中更有效地工作，而不會頻繁犯錯誤?！?/p>

這對于農業具有直接意義。因為光呼吸嚴重限制了作物產量，而 Rubisco 的“誤判”正是根源之一。

研究科學家 Robert Wilson 總結說：“這確實為許多令人興奮的新研究打開了大門，它超越了過去主導 Rubisco 工程的工程類型。農業生產力有明確的好處，可以通過更好的 Rubisco 來利用。”

除了發現更好的 Rubisco 之外，MutaT7 平臺本身也顯示出廣泛應用前景。由于其能在細胞內直接完成誘變與功能篩選，特別適合對結構復雜、性能敏感的酶進行改造。

未來，這種策略也可能用于工業生物催化劑的優化，或合成代謝通路中的關鍵節點酶改造。

正如 McDonald 在論文中指出的：“Rubisco 一直被認為是難以進化的蛋白，但我們的方法證明，它仍有提升空間。”

在碳中和、農業增產與人工光合系統研究日益受到關注的今天，這項成果為“改造自然”的可能性提供了有力示范。

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

2.https://doi.org/10.1073/pnas.2505083122