科学家改造了一种关键的植物酶，并将其引入大肠杆菌中，从而为研究如何加速光合作用创造最佳的实验环境。光合作用是提高作物产量的“圣杯”。
9月14日发表在《自然植物》杂志上的一篇论文《小亚基可以确定在大肠杆菌中表达的烟草Rubisco的酶动力学》描述了这种方法。
Maureen Hanson(左)，Weill plant Transformation设施的分子生物学、遗传学和植物生物学教授，Myat Lin(副研究员)。
科学家们已经知道，如果能加快光合作用的进程，农作物的产量将会增加。光合作用是指植物将二氧化碳、水和光转化为氧气，最终转化为蔗糖，蔗糖是一种用于提供能量和构建植物新组织的糖。
研究人员将注意力集中在Rubisco上，这是一种缓慢的酶，它能从二氧化碳中吸收(或固定)碳生成蔗糖。与二氧化碳一起，Rubisco有时与空气中的氧气催化反应，当它这样做时，它会产生有毒的副产物和浪费能量，从而使光合作用效率低下。
康奈尔大学利伯蒂海德贝利植物分子生物学教授莫林·汉森说:“你希望Rubisco不与氧气相互作用，并且工作得更快。”
为了达到这个目的，研究人员从烟草植物中提取Rubisco，并将其改造成大肠杆菌。烟草在研究中是一种常见的模式植物。汉森说:“我们现在可以通过突变来改善这种酶，然后在大肠杆菌中进行测试。”
这样做的好处是，由于细菌繁殖速度很快，研究人员可以在大肠杆菌中测试改变的Rubisco，并在第二天得到结果。“如果你把一种新的Rubisco引入工厂，你必须等上几个月”才能得到结果，她说。
另一组将烟草二磷酸核酮糖羧化酶改造成大肠杆菌的最初工作导致了这种酶非常弱的表达。在植物中，Rubisco由8个大的和8个小的亚基组成。一个基因编码每个大的亚基，但许多基因编码每个小的亚基。酶组装的复杂过程和植物中存在的多种酶，使得Rubisco的实验非常困难。
在汉森实验室的博士后助理研究员、论文的第一作者林密(Myat Lin)的带领下，研究人员能够在大肠杆菌中分解这一过程，并将一种大型亚基和一种小型亚基组合在一起，以了解这种酶的特性。通过这种方法，他们在大肠杆菌中获得了与在植物中发现的酶相匹配的表达。
他们还发现，在毛状体(植物叶子上的微小毛)中发现的Rubisco亚基比在叶子细胞中发现的任何亚基工作得都快。
汉森说:“我们现在有能力在大肠杆菌中设计出新的植物Rubisco，并发现是否某种酶的性质更好。”“然后，我们可以把经过改良的酶放进作物中。”
合著者包括本科生研究员威廉·斯通(William Stone’18)和博士后维沙辛格·乔杜里(Vishalsingh Chaudhari)，两人都来自汉森的实验室。
这项研究由美国能源部和国家科学基金会资助。
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