用CO2生产燃料?揭开土壤微生物酶比植物酶固碳快20倍的奥秘 有望加速人工光合作用的应用

【字体: 时间:2022年05月13日 来源:DOE/SLAC National Accelerator Laboratory

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  美国能源部SLAC实验室发现一种细菌酶比植物酶固碳快20倍,秘密在哪里?优化这一过程有望开发各种形式的人工光合作用,用二氧化碳来生产燃料、抗生素和其他产品。目光超前的美国能源部在固碳和可再生能源领域频频出手值得借鉴。

  

植物的生存依赖于一种固碳过程——将空气中的二氧化碳转化为富含碳的生物分子。 这就是光合作用的全部意义,也是一个巨大的连锁系统的基石,这个系统使碳在植物、动物、微生物和大气中循环,以维持地球上的生命。  

但是固碳的冠军不是植物,而是土壤细菌。一些细菌酶完成固碳关键步骤的速度比植物酶快20倍,弄清楚它们是如何做到这一点的,可以帮助科学家开发各种形式的人工光合作用,用温室气体CO2生产燃料、化肥、抗生素和其他产品。

来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、美国能源部联合基因组研究所(JGI)、斯坦福大学、德国马克斯·普朗克陆地微生物研究和智利Concepción大学的一组研究人员发现了一种细菌酶是如何加速完成这一壮举的——酶是促进化学反应的蛋白质分子。

研究小组研究的这种酶属于烯酰辅酶a羧化酶/还原酶(ECRs)家族。它来自于一种叫做Kitasatospora setae的土壤细菌,这种细菌除了具有固定碳的能力,还可以产生抗生素。

Wakatsuki和他的团队本来一直在研究另一个相关的系统,即固氮系统,它将大气中的氮气转化为生物所需的化合物。Wakatsuki在6年前从德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的Tobias Erb和JGI的Yasuo Yoshikuni那里听说了这种酶家族。为什么ECR酶会这么快?这个问题激起了他的兴趣,他开始与Erb的团队合作寻找答案。

Erb的研究团队一直致力于开发用于人工光合作用的生物反应器,如何将大气中的二氧化碳转化为各种产品。光合作用对地球上的生命很重要,但它的效率不是很高。就像千百万年来进化形成的所有事物一样,它只是达到了它需要达到的程度,是在以前的发展基础上慢慢建立起来的结果。在自然光合作用中,固定空气中的二氧化碳的步骤依赖于一种叫做Rubisco的酶,是阻碍整个光合作用链的瓶颈。因此,若使用更为高效的酶来完成这一步骤,可能会大大提高效率。

SLAC团队制备了ECR酶的蛋白质结晶样品,在美国能源部阿贡国家实验室的高级光子源进行X射线检测。X射线揭示了酶本身和酶与一个小辅助分子连接时的分子结构。SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)进行的进一步X射线研究显示,当酶附着在其底物上时它的结构是如何发生变化的。最后,来自SLAC 直线加速器相干光源(LCLS, Linac Coherent Light Source)的一组研究人员在日本SACLA X射线自由电子激光器上对酶及其底物进行了更详细的研究。X射线激光的选择很重要,因为这决定了是否能够在几乎没有辐射损伤的前提下研究这种酶在室温下——更接近其自然环境的行为。

与此同时,Erb在德国的团队和Esteban Vo?hringer-Martinez's的团队在智利Concepción大学进行了详细的生化研究和广泛的动态模拟,以理解Wakatsuki和他的团队收集的结构数据。

模拟显示,这种酶不是一次只抓住一个二氧化碳分子并把它们附着在生物分子上——这种酶有成对的分子同步工作,就像魔术师的手同时扔球和接球,从而更快地完成工作。每个酶对的一个成员大开以捕捉一系列反应成分,而另一个则在捕获的成分上闭合并进行碳固定反应;然后,他们在一个持续的循环中互换角色。

研究小组发现,有一个单一的分子“胶”将每一对酶的“手”连在一起,这样它们就可以以协调的方式交替打开和关闭,而一个扭转的运动有助于将原料和成品从发生反应的口袋中快速进出。当分子“胶”和扭转同时存在时,固碳反应比没有时快100倍。

酶的两个部分的打开和关闭不仅涉及分子“胶”,而且还围绕每个酶对的中心轴旋转运动。“这种扭转几乎就像一个拍子,可以把成品推出来,或者把一套新的成分放进反应发生的口袋里。”酶对的扭转和同步使它们每秒固定碳100次。

ECR酶家族还包括一个更多功能的分支,可以与许多不同种类的生物分子相互作用,产生各种产品。但由于它们没有分子“胶”粘在一起,不能协调它们的运动,因此运行得更慢。Wakatsuki说:“如果我们能够提高这些复杂反应的速率,从而产生新的生物分子,那将是该领域的一个重大飞跃。”

从静态到动态

到目前为止,这些实验已经产生了酶、反应成分和不同构型的最终产物的静态快照。“我们的梦想实验,”Wakatsuki说,“将把所有的成分结合在一起,当它们流进X射线光束的路径时,这样我们就可以实时观察反应的发生。”这个团队实际上在SACLA做过尝试,但没有成功。他说:“二氧化碳分子非常小,它们移动得如此之快,以至于很难捕捉到它们附着在基底上的瞬间。”“此外,X射线激光束非常强,我们不能让这些成分在其中停留足够长的时间等反应发生。”但他补充说,即将对LCLS进行的高能升级可能会解决这个问题,因为脉冲到达频率更高——每秒100万次——而且可以根据每个样本的理想强度进行单独调整。

Wakatsuki说,他的团队继续与Erb的团队合作,他们正在与LCLS样品交付组和SLAC-Stanford低温电子显微镜(cryo-EM)设施的研究人员合作,以找到一种使这种方法可行的方法。

“我们并不是试图复制光合作用,”Erb解释说。“我们想设计一个更高效的过程,利用我们对工程学的理解来重建自然的概念。这种‘光合作用2.0’可能发生在生物或合成系统中,比如人造叶绿体中。。。这个家族中的一些酶作用缓慢,但以一种非常具体的方式产生一种产品,其他成员的速度要快得多,可以为各种产品制造原材料。既然我们知道了机制,我们就可以设计结合这两种方法的最佳特性的酶,非常快速地完成工作。”

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