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. coli，Escherichia 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.