科学探索|研究：细菌酶将二氧化碳转化为碳化合物的速度比光合作用快20倍研究：细菌酶将二氧化碳转化

研究人员发现，一个分子胶点和一个及时的转折帮助一种细菌酶快速将二氧化碳转化为碳化合物，比植物酶在光合作用中的速度快20倍。这一结果将加速将二氧化碳转化为各种产品的进展。

文章图片

碳固定，或将空气中的二氧化碳转化为富含碳元素的生物大分子，对植物的生存至关重要。这就是光合作用的全部意义，也是通过植物、动物、微生物和大气层进行碳循环以维持地球上生命的庞大连锁系统的基石。
然而，固碳“冠军”是土壤细菌，而不是植物。如果科学家们能够弄清楚某些细菌的酶是如何以比植物酶快20倍的速度进行碳固定的一个重要步骤，他们也许能够开发出人工光合作用，将温室气体转化为燃料、化肥、抗生素和其他产品。
现在，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、德国马克斯-普朗克陆地微生物研究所、美国能源部联合基因组研究所（JGI）和智利康塞普西翁大学的一个研究小组已经发现了一种细菌酶--一种促进化学反应的分子机器--是如何启动以完成这一壮举的。
他们发现，这种酶不是抓住二氧化碳分子并把它们一个一个地附着在生物大分子上，而是由一对分子组成，它们同步工作，就像变戏法的人同时抛出和接住球以更快地完成工作的双手。每对酶中的一个“成员”张开以捕获一组反应成分，而另一个“成员”则关闭其捕获的成分并进行固碳反应；然后，他们在一个连续的循环中转换角色。
研究小组发现，一个分子“胶水”将每对酶的手固定在一起，以便它们能够以协调的方式交替打开和关闭，而扭曲的运动则有助于将成分和成品从发生反应的口袋中“赶出来” 。当胶水和扭动都存在时，固碳反应比没有它们时快100倍。
“这种细菌酶是我们所知道的最有效的碳固定器，我们对它能做什么想出了一个完整的解释，”SLAC和斯坦福大学的教授、这项研究的高级领导人之一Soichi Wakatsuki说，这项研究本周发表在《ACS Central Science》上。
他说：“这个家族中的一些酶行动缓慢，但以一种非常具体的方式，只生产一种产品。其他的则快得多，可以为各种产品制作化学构件。现在我们知道了这个机制，我们可以设计出结合这两种方法的最佳特点的酶，并对各种起始材料进行非常快速的处理。”

文章图片

在自然界的基础上进行改进
该团队研究的酶是一个叫做烯酰-CoA羧化酶/还原酶，或ECRs家族的一部分。它来自名为Kitasatospora setae的土壤细菌，除了它们的固碳技能外，它们还能生产抗生素。
半年前，Wakatsuki从德国马克斯-普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb和JGI的Yasuo Yoshikuni那里听说了这个酶家族。Erb的研究小组一直致力于开发人工光合作用的生物反应器，将大气中的二氧化碳转化为各种产品。
Erb说，尽管光合作用对地球上的生命很重要，但它的效率并不高。就像所有在漫长的进化过程中形成的事物一样，它只能做到最好，这是慢慢建立在以前的发展基础上的结果，但从未从头发明过全新的东西。
他说，更重要的是，自然光合作用中从空气中固定二氧化碳的步骤，依靠一种叫做Rubisco的酶，是一个瓶颈，使整个光合作用反应链陷入困境。因此，使用快速的ECR酶来执行这一步骤，并通过工程设计使其更快，可以带来效率的大幅提升。