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在大腸桿菌中組合光合作用碳反應的第一個酵素RuBisco

 

rubisco。圖片來源:維基百科

植物依靠光合作用(photosynthesis)將二氧化碳轉為糖類,過程中的許多中間產物,也是植物生合成所必須的原料。光合作用可分為光反應(light reactions)與碳反應(carbon assimilation reactions,又稱為卡爾文循環[Calvin cycle])。光反應負責把光能轉換為化學能(ATP,三磷酸腺苷)與電子(NADPH,菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸),碳反應負責把二氧化碳還原為三碳糖3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde 3-phosphate,G3P)。碳反應需要光反應提供還原二氧化碳所需要的電子與能量。

負責碳反應的第一個酵素,就是大名鼎鼎的RuBisco。這個酵素有個很長的名稱,D-核糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(D-ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)。RuBisco負責把二氧化碳抓下來,與1,5-二磷酸核糖(RuBP,ribulose 1,5-bisphosphate)反應後轉換為兩個三碳化合物3-磷酸甘油酸酯 (3-PGA,3-phosphoglycreate)。

過去的許多研究發現RuBisco有許多「毛病」,最大的毛病就是它會把氧氣當作二氧化碳來用,結果就造成RuBP的氧化,產生一個3-PGA與一個兩碳的2-磷酸乙醇酸(2-phosphoglycolate)。2-磷酸乙醇酸細胞無法使用,為了回收它,細胞必須消耗ATP與氧氣,整個過程稱為「光呼吸作用」(photorespiration)。

想要深入的研究RuBisco,就必須要有純化的酵素。純化它並不難--只要跑過植物蛋白質膠的人,都會看到RuBisco表現量非常高--但難在高等植物的RuBisco是由八個大次單元(large subunit)與八個小次單元(small subunit)所構成的複合體,大次單元的基因(RbcL)位於植物的葉綠體(chloroplast)內,小次單元的基因(RbcS)位於細胞核內。但是細胞核內的小次單元基因卻不只一個,而是一個「家族」,這使得從植物中直接純化出來的RuBisco成為一個混合物,無法直接進行酵素動力學的測定。

最近康乃爾大學的研究團隊,成功地在大腸桿菌(E. coliEscherichia coli)中表現出完整且具有活性的阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)的RuBisco。要做這件事並不容易,研究團隊除了放入大次單元與小次單元的基因以外,還要放入其他七個組合RuBisco所必須的基因:其中三個是伴侶素(chaperonin)Cpn60α, Cpn60β 與 Cpn20,另外還有四個組合RuBisco不可或缺的蛋白質RbcX、RuBisco裝配因子1(RAF1,RuBisco assembly factor 1)、RAF2和髓鞘缺陷2(BSDII,Bundle sheath defective 2)。

能成功在大腸桿菌中表現並裝配RuBisco,就可以控制要放進去的小次單元基因;也就是說,研究團隊接下來就可以純化出純的RuBisco了。雖然目前研究團隊所進行的一些測試發現,不同的小次單元似乎對RuBisco的活性影響不大,但這部分還需要繼續深入研究。倒是有個比較有意思的發現是,一個來自葉毛(trichome)的小次單元可以讓RuBisco表現出類似C4植物RuBisco的活性(也就是說,對二氧化碳的親和力較低)。

研究團隊希望未來可以應用這個技術來多多研究不同植物的RuBisco,或許能找到對二氧化碳親和力最高的組合,從而改進作物中的RuBisco版本,或許可讓作物吸收二氧化碳的能力變強,不但有可能提升農作物產量,也可減碳呢!

參考文獻:

Myat T. Lin, William D. Stone, Vishalsingh Chaudhari & Maureen R. Hanson. 2020. Small subunits can determine enzyme kinetics of tobacco Rubisco expressed in Escherichia coli. Nature Plants.

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