Rubisco 作为自然界储量最高的蛋白酶，是整个生物圈碳固定反应的核心载体，却受限于催化周转速率偏低、无法精准识别二氧化碳与氧气分子的先天缺陷，直接造成光合固碳效率大打折扣，成为长久以来束缚陆生作物光合产能提升、制约微藻固碳系统移植应用的关键卡点。自然界中的藻类、蓝藻等浮游生物经过长期演化，形成了完善的二氧化碳浓缩机制也就是 CCM 系统，依托羧酶体、蛋白核这类特殊细胞器结构包裹富集 Rubisco 酶，局部拉高底物二氧化碳浓度，有效规避光呼吸损耗、放大碳固定效率，这套天然高效固碳体系也成为人工改造植物光合系统的重要参考模板。过往相关改造研究大多局限于基因片段的异源转入，很难完整复刻微藻 CCM 运转逻辑，改造效果十分有限，难以落地服务于农作物增产与人工光合装置优化。
本次研究跳出传统基因编辑改造思路，聚焦微藻 CCM 运作的核心环节，在高等植物叶绿体内部人为实现 Rubisco 蛋白的相分离与液液相凝聚行为，从空间排布层面模拟藻类天然的碳浓缩结构，依靠蛋白自主凝聚形成局部富集区域，复刻天然 CCM 的底物富集环境，以此人为调控植物体内部的光合反应进程，改善原有光合路径低效的问题。该方案无需完整导入藻类整套复杂细胞器结构，仅依托蛋白凝聚特性即可搭建简易人工碳浓缩单元，大幅降低了光合系统改造的技术门槛与操作难度。
该项研究解析出微藻 CCM 相分离作用的应用价值，打通了微藻优良光合性状向陆生作物转移的技术思路，为搭建稳定高效的人工光合系统补齐了理论与实操依据，依托微藻天然遗传资源对农作物光合核心酶进行空间结构重塑，能够从本源降低作物光呼吸消耗、强化二氧化碳固定能力，稳步提升农作物有机质积累量与最终产量，同时这套改造方案也可反向应用于人工光生物反应器内部光合单元优化，提升微藻工业化固碳产能与生物质产出水平，助力农业稳产增收、生物固碳产业提质增效，为粮食安全保障与双碳领域生物减排技术迭代提供了一条可行的新型改造路径。
原文链接：Engineering Rubisco condensation in chloroplasts to manipulate plant photosynthesis