【背景及挑战】

当今地球上大多数无机碳固定过程都依赖于核糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubiscos）与氧合光合作用的结合。Rubiscos最先起源于无氧环境，要早于有氧光合作用的出现，准确来说，Rubiscos的发展是氧合光合作用进化的重要基础。随着有氧光合作用的出现和进化，Rubiscos会不可避免的被暴露于催化过程中产生的副产物分子氧的环境中。尽管用于光合作用和碳固定的确切策略在生物体中都各不相同，但对于所有的需氧型光养生物，尤其是藻类和植物，都会涉及到利用高特异性的Rubiscos。虽然科学家们进行了许多的研究和推测，但目前对于Rubisco究竟是如何以及何时进化出高特异性的仍然是个未解之谜。

【最新突破】

近日，来自德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所的Georg K. A. Hochberg团队利用祖先序列来重建和复现I型Rubiscos的进化过程，为揭示Rubisco的进化之谜提供了新的见解。

图1 Rubisco在进化过程中的结构功能

【研究要点】

1) 研究者通过使用祖先序列重构进化过程，证实了Rubisco是通过在出现大气氧之前形成一个辅助亚基来提高其特异性和羧基化效率；

2) 利用结构生物学和生化分析方法，该研究追溯了这种辅助亚基是如何形成并演变为必需的，确定了小型亚基形成的遗传和结构学原因，证实小型亚基会间接导致Rubisco特异性增加，并揭示了I型Rubiscos的溶解度依赖于小型亚基的方式；

3) 这项研究表明I型Rubiscos甚至在氧气水平充足之前就已经增强了对CO2的特异性结合，并揭示了Rubisco特异性的决定因素以及适应环境氧气水平上升的变化，为研究相互作用的功能提供了一个模型基础。

图2 Rubisco的溶解度和催化作用依赖于小型亚基

参考资料：

Georg K.A.H. et al. Evolution of increased complexity and specificity at the dawn of form I Rubiscos. Science (2022).

DOI: 10.1126/science.abq1416

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq1416