刚发Science，又发Nature Catalysis，这个课题组要把CO2进行到底！

微著

2021-01-21

第一作者：Marieke Scheffen

通讯作者：Tobias J. Erb

通讯作者单位：马克斯·普朗克陆地微生物研究所

背景相关内容

Tobias J. Erb是通过酶、细菌等催化解决CO₂问题领域的大师，最近刚实现了历史性突破进展，通过人工方法构建了模拟自然光合作用体系捕获和转化CO₂。

图1.类囊体膜反应器的设计（Light-powered CO₂ fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts，Science 2020, 368, 649-654）

乙醇酸盐等C₂分子转化为甘油酸盐C₃分子在许多碳代谢过程（比如甲基营养菌）中非常重要，乙醛酸盐C₃分子是多种CO₂固定过程中得到的产物，并且是中心碳循环过程中将多种代谢过程相连。但是自然代谢过程中能够将C₂直接转化为C₃的过程非常罕见，而且仅有的例子中在转化过程中不可避免的发生碳流失。

主要内容

图2. GCC酶的结构优化

在生物催化领域中，通过光合羧化酶（carboxylases）捕捉CO₂是其中的关键一环，但是目前此类过程通常局限在少数几种天然酶的范围，有鉴于此，马克斯·普朗克陆地微生物研究所Tobias J. Erb 等报道了通过结构设计、高通量微流体与微孔板筛网筛选方法，构建了一种羟乙酰基-CoA羧化酶（GCC），通过优化酶的性能提高3个数量级，其活性达到天然CO₂固定酶的性能。通过分辨率达到1.96 Å的冷冻电镜对酶的结构进行确认，随后另外引入两个酶，和GCC组成羰基化模块，实现了将C₂乙醇酸转化为C₃甘油酸盐。作者展示了这种结构通过和光呼吸（photorespiration）过程进行配合，以及其在乙二醇转化，CO₂固定中的性能。基于化学计量比计算结果，作者发现GCC在总体过程中对碳的利用提高了150 %，同时理论消耗的能量降低。本文中的发现为生物技术与农业领域解决自然代谢问题提供机会和空间。

TaCo体系

目前，研究者发现了一种tartronyl-CoA（TaCo）过程，可能更好的实现乙醇酸盐C₂参与中心碳循环过程，理论上这种过程能够通过固定CO₂而不是释放CO₂进行，但是目前该过程还没有成功的相关报道，而且也没有在自然界中发现该过程存在的证据。因此，对TaCo过程中关键性的glycolyl-CoA羧化酶（GCC）进行功能化设计是其中的关键。

TaCo结构筛选

图3. GCC参与的TaCo过程和性能考察

通过高通量筛选，改善了ATP水解反应、排除了不完全的生物素化、考察热稳定性等过程后，得到一系列GCC变体，从而构建了高催化活性GCC人工酶，催化反应效率达到3.6×10⁴ M^-1 s^-1，该效率比天然野生酶催化活性（40.7 M^-1 s^-1）提高了三个数量级。

通过分辨率达到1.96 Å的冷冻电镜进行结构解析，对得到的高催化活性GCC和野生酶之间的结构进行比较，讨论了催化活性改善的原因。

将优化的GCC在体外构建了TaCo过程，并且考察了光呼吸干扰过程中TaCo过程的工作，验证了TaCo比纯天然光呼吸过程中碳、能量（辅基cofactor）效率都更高效，同时也比近期提出的一些体系效率更高。通过¹³C同位素标记验证了TaCo参与到光呼吸过程中。

图4. GCC酶变体的优化、催化活性比较

图5. GCC酶变体催化活性比较

TaCo过程参与三种过程的性质考察

进一步的，作者测试了TaCo模拟100 % RuBisCO（二磷酸羧化酶一氧合酶）氧合反应，验证了其在100 %的光呼吸过程中仍能够有效的工作，有望用于驱动固碳反应的光呼吸支路；

测试了TaCo用于转化乙二醇，结果显示能够有效的进行乙二醇转化为甘油酯，说明TaCo过程能够将作为环境相关的污染物/塑料成分乙二醇引入中心碳代谢过程；

测试了TaCo在CETCH循环中固定CO₂的效果，结果显示通过引入TaCo后，能够将三个CO₂分子直接参与中心碳循环过程，生成甘油酯。总之由于GCC的作用，CETCH循环过程的碳利用效率提升了25 %。

作者介绍

Tobias J. Erb分别在2005年，2009年在弗莱堡大学获得学士学位和博士学位，随后在伊利诺伊大学做博士后工作，并于2011年开始在苏黎世联邦理工学院工作，随后2014年转入马克思·普朗克研究所工作，主要从事生物合成尤其是代谢过程等工作，目前主要使用生物酶、细菌等构建CO₂转化体系。

参考文献及原文链接

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