日本神戶大學研究生院人類隊形變換環境學研究科的副教授蘆田弘樹與奈良先端科學技術大學院大學的名譽教授橫田明穗，以及大阪大學工學研究科的講師溝端榮一等人透過共同研究發現，對生物光合能力影響極大的二氧化碳固定酶Rubisco※1的二氧化碳識別能力與活性位※2表面的電荷分布有關。雖然此前就知道Rubisco的二氧化碳識別能力因光合生物而異，但此次是全球首次查明其終極因數。
相關論文已發表在2月28日發行的國際期刊《生物化學學會學報》（Biochemical Society Transactions）2月號上。
【研究背景】
光合作用是植物、藻類、細菌等利用陽光、水和二氧化碳合成糖及碳水化合物，提供生物賴以生存的能源的必經程序。
Rubisco在光合作用中是催化二氧化碳固定化的關鍵酶，但是也會將氧氣誤識別爲二氧化碳，催化氧氣的固定化，所以二氧化碳識別能力較低，在當前地球環境的高濃度氧氣下，會嚴重阻礙二氧化碳固定反應。因此，在很多情況下，Rubisco作爲二氧化碳固定酶的低劣性能會侷限植物和藻類的光合能力。有趣的是，Rubisco的二氧化碳識別能力因光合生物而異，並不是固定的。
爲提高這些生物的光合能力，業界一直在推進提高二氧化碳識別能力的Rubisco創造研究，但目前依然很難改良Rubisco的功能。此前雖然知道Rubisco的二氧化碳識別能力因光合生物而異，但一直不清楚具體終極因數。
【研究内容】
Rubisco的二氧化碳識別能力由低到高依次爲藍藻（Cyanobacteria）※3、綠藻※4（衣藻屬）、植物（稻子）、紅藻※5（Galdieria）。綠藻、植物和紅藻的Rubisco二氧化碳識別能力分別爲藍藻的1.5倍、2倍和6倍左右。
本次研究爲了查明這些生物的二氧化碳識別能力存在差異的終極因數，詳細解析並比較了以上各種生物的Rubisco的空間結構。對Rubisco的活性位表面的電荷分布進行解析發現，在二氧化碳識別能力較低的Rubisco中，活性位表面帶負電，而在二氧化碳識別能力較高的Rubisco中，存在電荷變爲中性的傾向。由此發現，電荷爲中性的結構和位點與氧氣的結合性較低。根據以上結果應答，Rubisco活性位表面的電荷分布決定了活性位附近二氧化碳與氧氣的相對豐度比，在活性位的表面電荷爲中性的Rubisco中，二氧化碳濃度相對升高，因此顯示出優異的二氧化碳識別能力。
圖1：各種生物的Rubisco的二氧化碳識別能力與活性位表面的電荷分布
圖中的Srel表示各生物的Rubisco的二氧化碳識別能力值，這個值越高，二氧化碳固定反應越順利。表面電荷帶負電、帶正電和中性的位點分別用紅色、藍色和白色表示。下面的圖爲活性位的電荷分布情況。
【未來展望】
此前一直期待能透過改良Rubisco的二氧化碳識別能力，來提高植物的光合能力，所以始終在探索其改良方法，但設計什麼樣的Rubisco比較好一直個很大的課題。透過此次的發現，可以創造提高了二氧化碳識別能力的Rubisco，今後有望利用該成果提高植物的光合能力，從而增加糧食產量、減量碳排放及增產代替燃料。（日文發佈全文）
用語：
※1 Rubisco：在光合作用的卡爾文循環中，在作爲二氧化碳入口的二氧化碳固定階段發揮作用的酶蛋白。由於其功能較差，在很多情況下會侷限光合作用的速度。
※2 活性位：酶催化反應的位置。
※3 藍藻：進行產氧型光合作用的原核生物。
※4 綠藻：綠色植物中除陸地植物以外的所有植物的總稱，爲真核光合生物。
※5 紅藻：屬於紅色植物的一門藻類，爲真核光合生物。
文 JST 客觀日本編輯部
