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研究发现世界上最多产的二氧化碳固定酶正在慢慢变得更好

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牛津大学领导的新研究发现,卢比斯科(一种为地球上所有生命提供燃料的酶)毕竟没有陷入进化困境。对Rubisco进行的最大规模的分析发现,它一直在进步——只是非常非常缓慢。这些见解可能会开辟加强粮食安全的新途径。

论文“Rubisco正在进化以提高植物中的催化效率和CO2同化”,已发表在《美国国家科学院院刊》上。

地球上最丰富的酶Rubisco在过去30亿年里一直为地球上的生命提供能量。虽然Rubisco每年固定数十亿吨CO2,​​但众所周知,这种酶的效率很低。这造成了一个生物学悖论,几十年来一直困扰着研究人员。为什么30亿年来一直为生命提供燃料的酶在履行其职责方面却表现不佳?许多植物科学家一直在争论这种酶是否陷入了“进化的窠臼”,使其不可能变得更好。

但牛津大学的新研究表明,rubisco正在不断改进,但这种改进的速度非常缓慢。

主要作者JacquesBouvier(牛津大学生物系博士生)表示:“我们的研究首次证明,进化正在持续改进rubisco,并且进一步改进该酶是可能的。重要的是,这一见解提供了新的见解。对设计酶以帮助养活世界的努力持乐观态度。”

研究人员分析了多种光合生物的Rubisco基因序列,并首次量化了Rubisco的进化速率。他们发现,其序列每90万年仅发生一个DNA碱基变化,以微小的增量发生变化,这与COVID-19基因组形成鲜明对比,后者每两周发生一个碱基变化。这使得rubisco成为地球上进化最慢的基因的1%。

尽管变化速度缓慢,研究人员发现酶正在利用这种进化来更好地固定CO2。作者还发现,这种缓慢改善的CO2固定作用导致光合作用的改善;植物正在不断进化,以更好地将CO2转化为糖,但改进速度如此缓慢,以至于看起来像是冻结的。

几十年来,科学家们一直渴望设计一种改进的Rubisco,以促进农作物的生长和产量。但尽管付出了很多努力,成功仍然有限,许多人想知道rubisco是否已经优化,使得这些尝试徒劳无功。然而,这项研究的见解带来了新的希望。特别是,解开阻碍rubisco进化速度的谜团可能会发现提高作物产量的新方法。

JacquesBouvier补充道:“由于rubisco吸收了为地球上的生命提供燃料的糖,因此改进这种酶是帮助应对粮食不安全的最有希望的途径之一。对于这种酶是否有改进的余地,人们一直在激烈争论;我们的新产品研究为这个问题提供了明确的答案。如果进化可以改善Rubisco,我们也可以!”

资深作者史蒂文·凯利教授(牛津大学生物学系)说:“我们已经证明,rubisco并没有被及时冻结,而是不断进化以变得更好。我们现在需要了解阻碍rubisco的因素,以便能够实现这一目标。”让我们认识到它的真正潜力。”

这一新见解为旨在通过Rubisco工程提高粮食、纤维和燃料作物产量的努力提供了鼓励。改善rubisco可能是满足全球不断增长的人口粮食需求的关键。

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