光呼吸是植物中非常耗能的过程，导致释放先前固定的CO 2。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CO 2水平的挑战的关键方法。由德国马克斯马克斯·普朗克陆地微生物研究所的托比亚斯·埃尔布(Tobias Erb)领导的研究人员现已成功地设计了TaCo途径，一种合成的光呼吸旁路。这种新自然的代谢系开辟了CO 2固定和增值化合物生产的新可能性。
所有生命都取决于植物对CO 2的固定。但是，自然光合作用的酶促效率受到限制，为农业生产力和CO 2固定化设定了界限。光呼吸是植物中的一种排毒过程，可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，并导致释放先前固定的CO 2，从而进一步抑制了光合作用的平衡。
由马克斯·普朗克陆地微生物研究所的托比亚斯·埃尔布(Tobias Erb)领导的研究人员开发了一种合成的光呼吸旁路技术，该技术可以替代自然光呼吸。与Arren Bar-Even(波茨坦-格尔姆市马克斯普朗克分子植物生理研究所)小组合作，并在资助的未来农业项目中，该团队设计了所谓的tartronyl-CoA(TaCo)途径，它比自然光呼吸短得多，只需要5种而不是11种酶即可。TaCo途径的最大好处可能是它固定了CO 2而不是释放它，因为它发生在自然光呼吸中。结果，TaCo途径比迄今为止提出的任何其他提议的光呼吸旁路都更节能。
建立TaCo途径是一次科学的旅程，带领研究人员从计算模型到酶促工程，微流体高通量筛选，冷冻EM技术，成功地在体外实现了新自然界的代谢连接，从而开辟了新的领域。固定CO 2和生产增值化合物的可能性。Tobias Erb研究小组的博士后研究员，该研究的主要作者Marieke Scheffen回忆说：“实现TaCo途径的主要挑战是找到所有必需的酶。” “这意味着我们必须寻找执行相似反应的酶，然后'教导'它们以执行所需的反应。”
更有效的酶
对于TaCo途径，最初发现了少数能够催化所需反应的酶。然而，它们显示出低的催化效率，这意味着它们与天然酶相比非常慢。研究人员旨在提高TaCo途径的关键酶乙醇酰基-CoA羧化酶(GCC)的性能，该酶可使光呼吸碳带正电。
作为创建合成乙醇酰基-CoA羧化酶(GCC)的基础，研究人员开发了该酶的分子模型。该酶的不同变体是基于天然存在的丙酰辅酶A羧化酶(通常参与脂肪酸代谢)而创建的，通过交换氨基酸残基作为支架。这种合理的设计策略使乙醇酸辅酶A的酶催化效率提高了50倍。
为了进一步提高酶的性能，研究人员与法国波尔多法国国家科学研究中心(CNRS，CRPP)的让-克里斯托夫·巴雷特(Jean-Christophe Baret)合作，与他们合作开发了超高通量微流控筛和筛选了数千个合成变体。在随后的两轮微孔板筛选中，发现了一种酶变体，该酶变体显示出乙醇酰基-CoA的催化效率提高了近900倍。“凭借这种催化效率，GCC处于天然存在的生物素依赖性羧化酶的范围内。这意味着我们能够将酶从几乎对乙醇酰-CoA的活性改变为非常高的活性，这与自然进化的酶相当。”玛丽·舍芬(Marieke Scheffen)解释说。
高分辨率电子显微镜
马丁·马里斯德(Maxs)的马克斯·普朗克生物化学研究所(现为马尔堡SYNMIKRO)的Jan和Sandra Schuller通过另一项合作解决了这种新开发的催化剂的分子结构。研究人员应用了最先进的低温电子显微镜(cryo-EM)，其原子分辨率为1.96Å，从而突破了低温-EM的极限。
最后，合成的GCC酶在体外实验中证明与TaCo途径的其他两种酶结合具有功能，因此形成了适用的碳固定途径。小组负责人Tobias Erb说：“ TaCo途径不仅是光呼吸的一种有希望的替代方法，”。“我们还可以证明它可以与其他合成的CO 2固定循环(如CETCH循环)相连接。现在，我们将能够有效地将合成的CO 2固定直接与中央代谢系起来。”
这开辟了一系列科学可能性，例如在回收聚对苯二甲酸乙二酯(PET)方面。TaCo途径可用于将乙二醇(PET的一种单体)直接转化为甘油酸酯，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，以充分利用新开发途径的全部潜力。
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