核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶的分子改造

地球上所有有机物归根结底都源于光合作用对大气CO2的固定，而核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶（Rubisco）是光合生物固定CO2的关键酶和限速酶，提高Rubisco对CO2的固定效率，对于提高光合生物的固碳效率有重要意义。由于缺乏有效的筛选体系以及足够的理论指导，迄今对Rubisco的分子改造收效甚微。本课题拟以蓝藻的Rubisco为研究对象，构建一个有效的针对其活性的筛选体系，对其大小亚基同时进行定向进化改造，然后用改造结果指导理性设计进一步改造，提高该酶对CO2的催化效率和对CO2/O2的选择性。最后将催化能力提高的Rubisco导入蓝藻，以评估其对蓝藻固定CO2的效率影响。研究结果不仅可为以蓝藻为代表的光驱动细胞工厂提供更高效的固碳元件，还有助于理解Rubisco这类重要酶的结构-功能关系，为改造和优化其他来源的Rubisco提供可借鉴的思路和技术途径。

本课题旨在通过分子改造，提高核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶（Rubisco）这一光合生物固定CO2的关键酶和限速酶对CO2的催化效率。为以蓝藻为代表的光驱动细胞工厂提供更高效的固碳元件，同时也为改造和优化其他来源的Rubisco提供可借鉴的思路和技术途径。但由于Rubisco结构复杂，功能混杂，又缺乏有效的筛选体系，导致国内外近30年来对其的分子改造收效甚微。为了解决Rubisco改造困难这一问题，本课题严格按照研究计划制定研究方案，通过构建新的筛选体系提高了来源于蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002的Rubisco对CO2的催化效率，并通过三维结构分析更新了Rubisco这类重要酶的结构-功能关系，为植物Rubisco的理性改造提供了靶标，圆满完成了研究目标。取得的主要研究成果如下：.（1）.构建了一个有效的、针对Rubisco活性的高通量筛选体系，可在筛选平板上通过菌落的大小判断其中所含Rubisco突变体活性的高低；.（2）.通过一轮的定向进化改造将Synechococcus sp. PCC 7002的Rubisco对CO2的比酶活提高85%。动力学方面，对CO2的转化数提高120%，亲和力下降了50%，综合下来催化效率提高了45%。这是目前在提高Rubisco固碳效率方面的最好结果；.（3）.发现长期以来一直被忽视的小亚基对Rubisco的固碳效率有着重要的影响，从而更新了Rubisco的结构-功能关系。通过同源建模和序列比对，获得了植物Rubisco小亚基中V110这个潜在的改造靶点。.（4）.研究成果已发表SCI论文2篇，修回SCI论文2篇。在国际和国内的酶工程会议上分别获得优秀墙报及优秀报告奖。同时实现1名中级职称人员晋升为高级职称，1名博士后顺利出站，1名本科生完成毕业设计。