大肠杆菌提供了改善光合作用的途径

2020-11-05 401细菌

大肠杆菌提供了改善光合作用的途径,康奈尔大学的科学家们设计了一种关键的植物酶,并将其引入大肠杆菌中,以便为研究如何加快光合作用(提高作物产量的圣杯)创造一个最佳的实验环境。

该方法在发表在《自然植物》杂志上的一篇论文《小亚基可以测定烟草Rubisco在大肠杆菌中表达的酶动力学》中描述。

研究背景

科学家们已经知道,如果作物能够加速光合作用过程,植物将二氧化碳(CO2)、水和光转化为氧气,最终转化为蔗糖,蔗糖是一种用于能量和构建新植物组织的糖。

研究人员把重点放在Rubisco上,这是一种缓慢的酶,它能从二氧化碳中提取(或固定)二氧化碳来产生蔗糖。与二氧化碳一起,Rubisco有时与空气中的氧气一起催化反应,当它催化时,它会产生有毒的副产品并浪费能源,从而使光合作用效率低下。

康奈尔大学植物分子生物学教授Maureen Hanson说:“你希望Rubisco不与氧气发生相互作用,而且工作速度更快。”

大肠杆菌提供了改善光合作用的途径

为了实现这一目标,研究人员从烟草植物中提取Rubisco并将其转化为大肠杆菌。烟草是研究中常见的模式植物。”我们现在可以进行突变,试图改进这种酶,然后在大肠杆菌中进行测试。

这样做的好处是,由于细菌繁殖如此迅速,研究人员可能会在大肠杆菌中测试一种改变的Rubisco,并在第二天得到结果。”她说,如果你把一种新的Rubisco引入一个工厂,你必须等上几个月才能得到结果。

另一个将烟草Rubisco基因工程到大肠杆菌中的小组的初步工作导致这种酶的表达非常弱。在植物中,Rubisco由8个大亚基和8个小亚基组成。单个基因编码每个大的亚单位,但许多基因编码每个小的亚单位。复杂的酶组装过程和多种酶在植物中的存在使Rubisco的实验变得非常困难。

研究意义

在Hanson实验室博士后研究助理、论文第一作者Myat Lin的带领下,研究人员能够分解这一过程,并在大肠杆菌中同时表达单一类型的大亚基和单一类型的小亚基,以了解酶的性质。通过这样做,他们在大肠杆菌中获得了与在植物中发现的相匹配的酶的表达,大肠杆菌提供了改善光合作用的途径。

他们还发现,在毛状体(植物叶子上的微毛)中发现的Rubisco亚单位比在叶细胞中发现的任何亚单位工作得更快。

“我们现在有能力在大肠杆菌中设计新版本的植物Rubisco,并找出一种酶的性质是否更好,”汉森说然后,我们可以将改进后的酶应用到作物中。”

引用

Cornell University. "E. coli bacteria offer path to improving photosynthesis." ScienceDaily. ScienceDaily, 21 September 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200921170505.ht.

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