马克斯·普朗克学会 乙醇酰辅酶a羧化酶工程，TaCo途径的关键酶
GCC是在天然存在的丙酰辅酶a羧化酶的支架上开发的
合理的设计导致了50倍的改良版M3，额外的高通量筛选使鉴定出900倍的改良版(M5)
学分:马克斯·普朗克陆地微生物研究所/谢芬 光呼吸在植物中是一个高耗能的过程，它导致先前固定的CO2的释放
因此，设计这种代谢过程是提高作物产量和应对大气中不断上升的二氧化碳水平的关键途径
由德国马尔堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所的托拜厄斯·埃尔比领导的研究人员，现在已经成功地设计了TaCo途径，一种合成光呼吸旁路
这种新的与自然的代谢联系为固定二氧化碳和生产增值化合物开辟了新的可能性
所有的生命都依赖于植物对二氧化碳的固定
然而，自然光合作用的酶效率是有限的，为农业生产力和CO2固定设定了界限
光呼吸是植物的解毒过程，它回收光合作用的有毒副产物2-磷酸乙醇酸
光呼吸消耗大量能量，导致先前固定的CO2释放，从而进一步抑制光合平衡
由马克斯·普朗克陆地微生物研究所的托拜厄斯·埃尔比领导的研究人员开发了一种合成光呼吸旁路，它代表了自然光呼吸的一种替代方法
在与阿伦·巴-偶(马克斯·普朗克分子植物生理学研究所，波茨坦-戈尔姆)小组的合作下，在EU-资助的未来农业项目中，该小组设计了所谓的tartronyl-CoA (TaCo)途径，该途径比自然光呼吸短得多，只需要5种而不是11种酶
TaCo途径最大的好处可能是它固定而不是释放二氧化碳，就像自然光呼吸一样
因此，TaCo途径比迄今提出的任何其他光呼吸旁路都更节能
构建TaCo途径是一次科学之旅，它引领研究人员从计算模型到酶促工程、微流控高通量筛选、冷冻电磁技术，最终成功实现了一种新的自然代谢连接，为CO2固定和增值化合物的生产开辟了新的可能性
“实现TaCo途径的主要挑战是找到所有必需的酶，”托比亚斯·埃尔比小组的博士后研究员、该研究的主要作者玛丽埃克·谢芬回忆道
“这意味着我们必须寻找进行类似反应的酶，然后‘教’它们进行所需的反应
" 更高效的酶 对于TaCo途径，最初发现了一些能够催化所需反应的酶
然而，它们显示出较低的催化效率，这意味着与天然酶相比，它们相当慢
研究人员旨在特别提高TaCo途径的关键酶，甘酰辅酶a羧化酶(GCC)的性能，这是使光呼吸碳阳性的催化剂
作为创造合成甘酰辅酶a羧化酶的基础，研究人员开发了这种酶的分子模型
这种酶的不同变体是基于一种天然存在的丙酰辅酶a羧化酶产生的，这种酶通常参与脂肪酸代谢，通过交换氨基酸残基作为支架
这种合理的设计策略使酶对甘酰辅酶a的催化效率提高了50倍
为了进一步提高这种酶的性能，研究人员与法国波尔多法国国家科学研究中心(CRPP CNRS)的让-克里斯托夫·巴雷特团队合作，开发了一种超高通量微流控屏幕，并筛选了数千种合成变体
在随后的两轮微孔板筛选中，发现了一种酶变体，其对甘酰辅酶a的催化效率甚至增加了近900倍
“由于这种催化效率，GCC属于天然存在的生物素依赖性羧化酶
这意味着我们能够设计出一种酶，从几乎没有对甘酰辅酶a的活性到非常高的活性，这种活性与自然进化的酶相当，”马里克·谢芬解释说
高分辨电镜 在另一项合作中，马克斯·普朗克生物化学研究所的简和桑德拉·舒勒完成了对这种新开发的催化剂的分子结构的研究
研究人员应用了原子分辨率为1
96，从而突破了低温电磁的极限
最后，合成的GCC酶与TaCo途径的另外两种酶结合，在体外实验中证明具有功能，从而形成了一种适用的碳固定途径
“TaCo途径不仅是光呼吸的一个有前途的选择”，小组组长托拜厄斯·埃尔比说
“我们还可以证明它可以与其他合成二氧化碳固定循环相结合，比如CETCH循环
现在我们将能够有效地将合成二氧化碳固定直接与中枢代谢联系起来
" 这开启了一系列的科学可能性，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯的回收
TaCo途径可用于将乙二醇(聚酯的一种单体)直接转化为甘油酸，使其可用于生产生物质或增值化合物
下一步将是推进体内实施，以充分利用新开发的途径的潜力
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