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リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（Rubisco）は、地球上の炭素固定のほとんどを実行します。しかし、植物ルビスコは、その低いカルボキシル化速度を考慮して、本質的に非効率的な酵素であり、光合成に対する大きな制限を表しています。内因性植物のルビスコをより速いルービスコに置き換えると、作物の光合成と生産性が向上することが予想されます。ただし、ルビスコの発現とアセンブリのためのシャペロンの要件は、葉緑体における機能的な外来ルビスコの効率的な生産を妨げています。ここでは、大腸菌とタバコ（ニコチアナタバカム）の葉緑体のハロチオバシルスneapolitanusプロテオバクテリウムからのフォーム1A rubiscoのエンジニアリングを報告します。Rubiscoの大きなサブユニットをコードする天然のタバコ遺伝子は、H。neapolitanusRubisco（Hnrubisco）の大小のサブユニット遺伝子に遺伝的に置き換えられました。Hnrubiscoサブユニットは、高効率でタバコ葉緑体で機能性L8S8ヘキサデカマーを形成し、野生型タバコルビスコ含有量の約40％を占めることを示しています。葉緑体で発現したHnrubiscoは、約2倍のカルボキシル化速度を示し、1％CO2を補充した空気中の野生型の類似性栄養植物の同様の独立栄養成長率をサポートしました。この研究は、作物の光合成と成長を改善するために、葉緑体における高速で非常に活性なルビスコのエンジニアリングに向けた一歩を表しています。
リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（Rubisco）は、地球上の炭素固定のほとんどを実行します。しかし、植物ルビスコは、その低いカルボキシル化速度を考慮して、本質的に非効率的な酵素であり、光合成に対する大きな制限を表しています。内因性植物のルビスコをより速いルービスコに置き換えると、作物の光合成と生産性が向上することが予想されます。ただし、ルビスコの発現とアセンブリのためのシャペロンの要件は、葉緑体における機能的な外来ルビスコの効率的な生産を妨げています。ここでは、大腸菌とタバコ（ニコチアナタバカム）の葉緑体のハロチオバシルスneapolitanusプロテオバクテリウムからのフォーム1A rubiscoのエンジニアリングを報告します。Rubiscoの大きなサブユニットをコードする天然のタバコ遺伝子は、H。neapolitanusRubisco（Hnrubisco）の大小のサブユニット遺伝子に遺伝的に置き換えられました。Hnrubiscoサブユニットは、高効率でタバコ葉緑体で機能性L8S8ヘキサデカマーを形成し、野生型タバコルビスコ含有量の約40％を占めることを示しています。葉緑体で発現したHnrubiscoは、約2倍のカルボキシル化速度を示し、1％CO2を補充した空気中の野生型の類似性栄養植物の同様の独立栄養成長率をサポートしました。この研究は、作物の光合成と成長を改善するために、葉緑体における高速で非常に活性なルビスコのエンジニアリングに向けた一歩を表しています。
Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) performs most of the carbon fixation on Earth. However, plant Rubisco is an intrinsically inefficient enzyme given its low carboxylation rate, representing a major limitation to photosynthesis. Replacing endogenous plant Rubisco with a faster Rubisco is anticipated to enhance crop photosynthesis and productivity. However, the requirement of chaperones for Rubisco expression and assembly has obstructed the efficient production of functional foreign Rubisco in chloroplasts. Here, we report the engineering of a Form 1A Rubisco from the proteobacterium Halothiobacillus neapolitanus in Escherichia coli and tobacco (Nicotiana tabacum) chloroplasts without any cognate chaperones. The native tobacco gene encoding Rubisco large subunit was genetically replaced with H. neapolitanus Rubisco (HnRubisco) large and small subunit genes. We show that HnRubisco subunits can form functional L8S8 hexadecamers in tobacco chloroplasts at high efficiency, accounting for ∼40% of the wild-type tobacco Rubisco content. The chloroplast-expressed HnRubisco displayed a ∼2-fold greater carboxylation rate and supported a similar autotrophic growth rate of transgenic plants to that of wild-type in air supplemented with 1% CO2. This study represents a step toward the engineering of a fast and highly active Rubisco in chloroplasts to improve crop photosynthesis and growth.
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