复活十亿年前的酶揭示了光合作用如何适应氧气的增加

光合作用的核心生物催化剂Rubisco是地球上最丰富的酶。通过重建数十亿年前的酶，马克斯普朗克研究人员团队破译了早期光合作用的关键适应性之一。他们的结果现已发表在《科学》杂志上，不仅为现代光合作用的演变提供了见解，而且为改进它提供了新的动力。

当今的生活完全依赖于捕获和转化CO2的光合生物，例如植物和藻类。这些过程的核心是一种名为Rubisco的酶，它每年可捕获超过4000亿吨CO2。今天活着的有机体产生了惊人的数量：我们星球上的Rubisco的质量超过了所有人类的质量。为了在全球碳循环中扮演如此重要的角色，Rubisco必须不断适应不断变化的环境条件。

使用计算和合成方法的组合，来自德国马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的一个团队与新加坡大学合作，现已成功地在实验室中复活并研究了数十亿年前的酶。在这个被他们描述为“分子古生物学”的过程中，研究人员发现，一个全新的成分不是直接在活性中心发生突变，而是准备光合作用以适应不断上升的氧气水平。

Rubisco早期的困惑

Rubisco是古老的：它出现在大约40亿年前，在地球上还没有氧气之前的原始新陈代谢中出现。然而，随着产生氧气的光合作用的发明和大气中氧气的增加，这种酶开始催化一种不受欢迎的反应，在这种反应中，它会将O2误认为CO2并产生对细胞有毒的代谢物。迄今为止，这种混乱的底物范围仍然给Rubiscos留下了疤痕，并限制了光合作用的效率。尽管随着时间的推移，在含氧环境中进化的Rubiscos对CO2的特异性更强，但它们都无法完全摆脱氧气捕获反应。

在Rubisco中增加CO2特异性的分子决定因素仍然很大程度上未知。然而，它们对旨在改善光合作用的研究人员非常感兴趣。有趣的是，那些表现出CO2特异性增加的Rubiscos招募了一种功能未知的新型蛋白质成分。该成分被怀疑与增加CO2特异性有关，然而，它出现的真正原因仍然难以确定，因为它已经在数十亿年前进化了。

通过在实验室中复活古代蛋白质来研究进化

为了了解更具体的Rubiscos进化过程中的这一关键事件，马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所和新加坡南洋理工大学的合作者使用统计算法重建了数十亿年前存在的Rubiscos形式，在氧气水平开始之前上升。由马克斯普朗克研究人员TobiasErb和GeorgHochberg领导的团队在实验室中复活了这些古老的蛋白质，以研究它们的特性。特别是，科学家们想知道Rubisco的新成分是否与更高特异性的进化有关。

答案令人惊讶，博士研究员LucaSchulz解释说：“我们预计新成分会以某种方式直接排除Rubisco催化中心的氧气。事实并非如此。相反，这个新亚基似乎充当了进化的调节剂：招募“这个亚基改变了后续突变对Rubisco催化亚基的影响。当这个新成分出现时，以前无关紧要的突变突然对特异性产生了巨大影响。似乎有了这个新亚基完全改变了Rubisco的进化潜力。”

一种酶对其新亚基的依赖

这种作为“进化调节剂”的功能也解释了新蛋白质成分的另一个神秘方面：包含它的Rubiscos完全依赖于它，即使其他形式的Rubisco可以在没有它的情况下完美运行。相同的调节效应解释了原因：当与这种小蛋白质成分结合时，Rubisco变得对突变具有耐受性，否则这些突变会造成灾难性的危害。随着这些突变的积累，Rubisco有效地沉迷于它的新亚基。

总而言之，这些发现最终解释了Rubisco自从遇到这种新蛋白质成分以来就一直存在的原因。马克斯普朗克研究小组负责人GeorgHochberg解释说：“这种联系直到现在才被理解，这一事实凸显了进化分析对于理解驱动我们周围生命的生物化学的重要性。像Rubisco这样的生物分子的历史可以告诉我们很多关于为什么它们就是今天的样子。还有很多生化现象的进化史我们真的一无所知。所以成为进化生化学家是一个非常激动人心的时刻：几乎整个细胞的分子历史仍在等待发现。”

时光倒流的科学之旅可以为未来提供宝贵的见解

MaxPlanck主任TobiasErb说，这项研究还对如何改善光合作用具有重要意义：“我们的研究告诉我们，改善Rubisco的传统尝试可能找错了地方：多年来，研究只专注于改变氨基酸“在Rubisco本身进行改进。我们现在的工作表明，向酶中添加全新的蛋白质成分可能会提高生产力，并可能开辟其他不可能的进化路径。这是酶工程的未知领域。”