跳到主要內容

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.

標籤：

留言

張貼留言

這個網誌中的熱門文章

怎麼辦到的？變形藤（Boquila trifoliolata）模仿塑膠植物

  左：原來的葉片。右：模仿的葉片。圖片來源： 期刊 之前我們提到過一種奇妙的植物「變形藤」（ Boquila trifoliolata ），它原產於南美洲智利中、南部與阿根廷。在2014年就被發現它 為了減少自己被吃 ，發展出奇妙的變形能力：爬到誰身上就長得像誰。 後來在2021年 發現 ，它不只是形狀學得像，連人家身上一大半的細菌都搬過來了。這就奇妙了。 為什麼「變形藤」能夠學得這麼像呢？是寄主植物釋放了揮發性化合物？還是寄主植物跟它進行了基因的交換？還是它真的能「看」？ 研究團隊這次用了塑膠植物給它模仿。塑膠植物沒有基因、也不會釋放揮發性化合物，這樣就可以排除前兩個因素了。 結果「變形藤」還是學得維妙維肖，而且，一個月以後，它還學得更像。 難道它真的會「看」嗎？只能說這棵藤本植物真是太奇妙了。 參考文獻： White J, Yamashita F. Boquila trifoliolata mimics leaves of an artificial plastic host plant. Plant Signal Behav. 2022 Dec 31;17(1):1977530. doi: 10.1080/15592324.2021.1977530. Epub 2021 Sep 21. PMID: 34545774; PMCID: PMC8903786.
張貼留言
閱讀完整內容

植物界的變色龍Boquila trifoliolata如何模仿？

  圖片來源： 維基百科 信不信植物界也有變色龍？原產於南美洲智利中、南部與阿根廷的藤本植物 Boquila trifoliolata 在攀爬到其他樹上時，葉片的形狀會從原本的長鈍橢圓形三出複葉改變為宿主植物的形狀；甚至當它從一種植物攀爬到另一種植物時，葉片的型態也會跟著改變。 過去的研究發現， Boquila trifoliolata 之所以做這樣的改變，可能是因為 可以讓它避免被吃 。但是到底「變色龍藤」是怎麼「看」到它攀爬上去的植物長什麼樣子呢？ 最近發表在Scientific Report上的研究發現，「變色龍藤」可能是從「宿主」的菌群（microbiota）得到資料。研究團隊收集了「變色龍藤」模仿「宿主」的葉片上的菌群（BR）、沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群（BT），以及「宿主」的菌群（RS）。結果發現，沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群（BT）與「宿主」的菌群（RS）之間只有共享了79個獨特的OTU（操作分類單元，可能代表細菌的屬或種），但模仿「宿主」的葉片上的菌群（BR）與「宿主」的菌群（RS）之間卻共享了255個獨特的OTU！更有趣的是，沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群（BT）與模仿「宿主」的葉片上的菌群（BR）間也只共享了33個OTU。 這個結果顯示了，「變色龍藤」能模仿「宿主」的型態，與它們之間共享的菌群高度相關。但是究竟「變色龍藤」是如何從這些菌群得到資料？這就有待進一步的研究了。 參考文獻： Gianoli, E., González-Teuber, M., Vilo, C. et al. Endophytic bacterial communities are associated with leaf mimicry in the vine Boquila trifoliolata. Sci Rep 11, 22673 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-02229-8
張貼留言
閱讀完整內容

關於蕃薯，你知道你吃的是什麼品種嗎？

蕃薯（ Ipomoea batatas ）從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料，最後在養生的風潮下，再度躍上餐桌，成為美食，可有人關心過，我們吃的蕃薯是什麼品種嗎？ 圖片來源： 農委會 上面這張照片裡的蕃薯，中間的TN57與TN66，就是台農57號與台農66號，是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔！ 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種（Nancy hall）雜交育成。它黃皮黃肉，目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟，適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四～十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去，協助他們解決糧食問題呢！ 至於台農66號呢，就是所謂的紅心蕃薯啦！台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出，1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣，幾乎全年皆可栽種，秋冬作五個月可收穫，春夏作四個月就可以收穫囉！ 最右邊的台農73號，就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦！它是在1990年以台農62號（♂）x清水紫心（♀）雜交後，在2002年選拔出優良子代CYY90-C17，並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色，所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素，具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉，則是以桃園2號與台農71號為主，這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃，而且莖葉不易倒伏，方便農民採收喔！ 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品，如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥，其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔！ 參考文獻： 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。
張貼留言
閱讀完整內容