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第一作者：Marieke Scheffen

通訊作者：Tobias J. Erb

通訊作者單位：馬克斯·普朗克陸地微生物研究所

背景相關內容

Tobias J. Erb是通過酶、細菌等催化解決CO₂問題領域的大師，最近剛實現了歷史性突破進展，通過人工方法構建了模擬自然光合作用體系捕獲和轉化CO₂。

圖1.類囊體膜反應器的設計（Light-powered CO₂ fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts，Science 2020, 368, 649-654）

乙醇酸鹽等C₂分子轉化為甘油酸鹽C₃分子在許多碳代謝過程（比如甲基營養菌）中非常重要，乙醛酸鹽C₃分子是多種CO₂固定過程中得到的產物，并且是中心碳循環過程中將多種代謝過程相連。但是自然代謝過程中能夠將C₂直接轉化為C₃的過程非常罕見，而且僅有的例子中在轉化過程中不可避免的發生碳流失。

主要內容

圖2. GCC酶的結構優化

在生物催化領域中，通過光合羧化酶（carboxylases）捕捉CO₂是其中的關鍵一環，但是目前此類過程通常局限在少數幾種天然酶的范圍，有鑒于此，馬克斯·普朗克陸地微生物研究所Tobias J. Erb?等報道了通過結構設計、高通量微流體與微孔板篩網篩選方法，構建了一種羥乙酰基-CoA羧化酶（GCC），通過優化酶的性能提高3個數量級，其活性達到天然CO₂固定酶的性能。通過分辨率達到1.96 ?的冷凍電鏡對酶的結構進行確認，隨后另外引入兩個酶，和GCC組成羰基化模塊，實現了將C₂乙醇酸轉化為C₃甘油酸鹽。作者展示了這種結構通過和光呼吸（photorespiration）過程進行配合，以及其在乙二醇轉化，CO₂固定中的性能。基于化學計量比計算結果，作者發現GCC在總體過程中對碳的利用提高了150 %，同時理論消耗的能量降低。本文中的發現為生物技術與農業領域解決自然代謝問題提供機會和空間。

TaCo體系

目前，研究者發現了一種tartronyl-CoA（TaCo）過程，可能更好的實現乙醇酸鹽C₂參與中心碳循環過程，理論上這種過程能夠通過固定CO₂而不是釋放CO₂進行，但是目前該過程還沒有成功的相關報道，而且也沒有在自然界中發現該過程存在的證據。因此，對TaCo過程中關鍵性的glycolyl-CoA羧化酶（GCC）進行功能化設計是其中的關鍵。

TaCo結構篩選

圖3. GCC參與的TaCo過程和性能考察

通過高通量篩選，改善了ATP水解反應、排除了不完全的生物素化、考察熱穩定性等過程后，得到一系列GCC變體，從而構建了高催化活性GCC人工酶，催化反應效率達到3.6×10⁴ M^-1 s^-1，該效率比天然野生酶催化活性（40.7 M^-1 s^-1）提高了三個數量級。

通過分辨率達到1.96 ?的冷凍電鏡進行結構解析，對得到的高催化活性GCC和野生酶之間的結構進行比較，討論了催化活性改善的原因。

將優化的GCC在體外構建了TaCo過程，并且考察了光呼吸干擾過程中TaCo過程的工作，驗證了TaCo比純天然光呼吸過程中碳、能量（輔基cofactor）效率都更高效，同時也比近期提出的一些體系效率更高。通過¹³C同位素標記驗證了TaCo參與到光呼吸過程中。

圖4. GCC酶變體的優化、催化活性比較

圖5. GCC酶變體催化活性比較

TaCo過程參與三種過程的性質考察

進一步的，作者測試了TaCo模擬100 % RuBisCO（二磷酸羧化酶一氧合酶）氧合反應，驗證了其在100 %的光呼吸過程中仍能夠有效的工作，有望用于驅動固碳反應的光呼吸支路；

測試了TaCo用于轉化乙二醇，結果顯示能夠有效的進行乙二醇轉化為甘油酯，說明TaCo過程能夠將作為環境相關的污染物/塑料成分乙二醇引入中心碳代謝過程；

測試了TaCo在CETCH循環中固定CO₂的效果，結果顯示通過引入TaCo后，能夠將三個CO₂分子直接參與中心碳循環過程，生成甘油酯。總之由于GCC的作用，CETCH循環過程的碳利用效率提升了25 %。

作者介紹

Tobias J. Erb分別在2005年，2009年在弗萊堡大學獲得學士學位和博士學位，隨后在伊利諾伊大學做博士后工作，并于2011年開始在蘇黎世聯邦理工學院工作，隨后2014年轉入馬克思·普朗克研究所工作，主要從事生物合成尤其是代謝過程等工作，目前主要使用生物酶、細菌等構建CO₂轉化體系。

參考文獻及原文鏈接

Scheffen, M., Marchal, D.G., Beneyton, T. et al. A new-to-nature carboxylation module to improve natural and synthetic CO₂ fixation. Nat Catal (2021).

DOI: 10.1038/s41929-020-00557-y

https://www.nature.com/articles/s41929-020-00557-y

Light-powered CO₂ fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts，Science 2020, 368, 649-654

DOI：10.1126/science.aaz6802

https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649