日本神户大学研究生院人类发展环境学研究科的副教授芦田弘树与奈良先端科学技术大学院大学的名誉教授横田明穗，以及大阪大学工学研究科的讲师沟端荣一等人通过共同研究发现，对生物光合能力影响极大的二氧化碳固定酶Rubisco※1的二氧化碳识别能力与活性位点※2表面的电荷分布有关。虽然此前就知道Rubisco的二氧化碳识别能力因光合生物而异，但此次是全球首次查明其原因。
相关论文已发表在2月28日发行的国际期刊《生物化学学会学报》（Biochemical Society Transactions）2月号上。
【研究背景】
光合作用是植物、藻类、细菌等利用阳光、水和二氧化碳合成糖及碳水化合物，提供生物赖以生存的能源的必经过程。
Rubisco在光合作用中是催化二氧化碳固定化的关键酶，但是也会将氧气误识别为二氧化碳，催化氧气的固定化，所以二氧化碳识别能力较低，在当前地球环境的高浓度氧气下，会严重阻碍二氧化碳固定反应。因此，在很多情况下，Rubisco作为二氧化碳固定酶的低劣性能会限制植物和藻类的光合能力。有趣的是，Rubisco的二氧化碳识别能力因光合生物而异，并不是固定的。
为提高这些生物的光合能力，业界一直在推进提高二氧化碳识别能力的Rubisco创造研究，但目前依然很难改良Rubisco的功能。此前虽然知道Rubisco的二氧化碳识别能力因光合生物而异，但一直不清楚具体原因。
【研究内容】
Rubisco的二氧化碳识别能力由低到高依次为蓝藻（Cyanobacteria）※3、绿藻※4（衣藻属）、植物（稻子）、红藻※5（Galdieria）。绿藻、植物和红藻的Rubisco二氧化碳识别能力分别为蓝藻的1.5倍、2倍和6倍左右。
本次研究为了查明这些生物的二氧化碳识别能力存在差异的原因，详细解析并比较了以上各种生物的Rubisco的立体结构。对Rubisco的活性位点表面的电荷分布进行解析发现，在二氧化碳识别能力较低的Rubisco中，活性位点表面带负电，而在二氧化碳识别能力较高的Rubisco中，存在电荷变为中性的倾向。由此发现，电荷为中性的结构和位点与氧气的结合性较低。根据以上结果确认，Rubisco活性位点表面的电荷分布决定了活性位点附近二氧化碳与氧气的相对丰度比，在活性位点的表面电荷为中性的Rubisco中，二氧化碳浓度相对升高，因此显示出优异的二氧化碳识别能力。
图1：各种生物的Rubisco的二氧化碳识别能力与活性位点表面的电荷分布
图中的Srel表示各生物的Rubisco的二氧化碳识别能力值，这个值越高，二氧化碳固定反应越顺利。表面电荷带负电、带正电和中性的位点分别用红色、蓝色和白色表示。下面的图为活性位点的电荷分布情况。
【未来展望】
此前一直期待能通过改良Rubisco的二氧化碳识别能力，来提高植物的光合能力，所以始终在探索其改良方法，但设计什么样的Rubisco比较好一直个很大的课题。通过此次的发现，可以创造提高了二氧化碳识别能力的Rubisco，今后有望利用该成果提高植物的光合能力，从而增加粮食产量、减少碳排放及增产代替燃料。（日文发布全文）
用语：
※1 Rubisco：在光合作用的卡尔文循环中，在作为二氧化碳入口的二氧化碳固定阶段发挥作用的酶蛋白。由于其功能较差，在很多情况下会限制光合作用的速度。
※2 活性位点：酶催化反应的位置。
※3 蓝藻：进行产氧型光合作用的原核生物。
※4 绿藻：绿色植物中除陆地植物以外的所有植物的总称，为真核光合生物。
※5 红藻：属于红色植物的一门藻类，为真核光合生物。
文 JST 客观日本编辑部
