記者27日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校科研人員在藍(lán)藻光合作用功效調(diào)控機(jī)制研究上獲重大突破，揭開藍(lán)藻光合作用的“關(guān)鍵先生”神秘面紗——催化酶RuBisCO的組裝調(diào)控機(jī)理。

藍(lán)藻作為地球上最古老的原核生物之一，是一種神奇的存在，不是植物卻能進(jìn)行光合作用并放出氧氣。

藍(lán)藻學(xué)名藍(lán)細(xì)菌，其光合作用在地球大氣環(huán)境有氧化的進(jìn)程中起到了十分重要的作用，而且也是無機(jī)態(tài)的碳進(jìn)入生物圈的重要途徑。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻中含有一種名為“Rubisco”的酶在光合作用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但是其工作機(jī)制卻長(zhǎng)期未被認(rèn)識(shí)。

周叢照和陳宇星課題組經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，闡明了藍(lán)藻RuBisCO酶組裝的分子機(jī)理，發(fā)現(xiàn)RuBisCO成熟過程的多層次精細(xì)動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為人工改造RuBisCO以提高光合作用效率奠定了基礎(chǔ)。

國(guó)際學(xué)術(shù)著名期刊自然出版集團(tuán)旗下子刊《自然-植物》2020年5月25日在線發(fā)表了上述最新研究成果。

RuBisCO酶是植物光呼吸的關(guān)鍵酶，其在光合作用中具有重要的作用。它可以利用太陽能將空氣中的二氧化碳固定起來，既可降低溫室效應(yīng)，還可充分利用無機(jī)碳源，形成碳水化合物，以維持植物體的生命。有研究發(fā)現(xiàn)，向植物中添加這種酶，可以有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)。然而這種酶的催化效率極低，一個(gè)RuBisCO全酶每秒鐘只能催化3~10個(gè)二氧化碳分子的轉(zhuǎn)化。

藍(lán)藻通過二氧化碳濃縮機(jī)制，可以有效提高RuBisCO的催化效率。將藍(lán)藻的二氧化碳濃縮系統(tǒng)引入植物被認(rèn)為是一種潛在的提高植物光合作用效率和產(chǎn)量的方法，然而迄今為止對(duì)于RuBisCO組裝和成熟的精細(xì)過程仍然不清楚，極大制約了RuBisCO的活性優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

在研究中，科研人員通過冷凍電鏡單顆粒分析的方法和生化手段，揭開了催化酶RuBisCO發(fā)揮功效的神秘面紗，解析了其組裝和調(diào)控的多步動(dòng)態(tài)構(gòu)象和分子機(jī)制，為進(jìn)一步利用RuBisCO酶服務(wù)人類奠定了分子基礎(chǔ)。

“我們應(yīng)該更多地了解藍(lán)藻，然后加以利用，而不是也不可能簡(jiǎn)單地將它徹底消滅。藍(lán)藻作為地球上最古老的原核生物之一，其生命力非常旺盛。由于前些年淡水湖泊水體受到污染，藍(lán)藻過度繁殖而導(dǎo)致水華，帶來一系列環(huán)境問題。”周叢照教授說，“但另一方面，藍(lán)藻也可以消耗大量空氣中的二氧化碳，還可能用于生產(chǎn)下一代新型綠色能源。因此，藍(lán)藻研究具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值”。