首届J-WAFS大挑战旨在开发增强型作物品种并将其从实验室推广到实地
Matt Shoulders将带领一个跨学科团队来改进RuBisCO——被认为是提高农业产量的圣杯的光合酶
根据麻省理工学院（MIT）1861年成立的章程，学院使命的一部分是推动“科学在艺术、农业、制造业和商业等领域的发展和实际应用。”如今，阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔（Abdul Latif Jameel）水和食品系统实验室（J-WAFS）是校园内水和食品相关研究的主要推动力之一，其中许多涉及农业。 2022年，J-WAFS成立了水和食品大挑战基金，以激励麻省理工学院的研究人员为我们变化中的星球努力追求水和食品安全的未来。与麻省理工学院的气候大挑战（Climate Grand Challenges）不同，J-WAFS大挑战旨在利用多个专业领域、计划和学院资源。最初的利益陈述呼应了麻省理工学院的23封来信，涵盖了18个系、实验室和中心。J-WAFS为建议者举办了研讨会，以展示和讨论他们的初步想法。这些想法被逐渐缩小到一小部分受邀概念论文，然后是最终的提案阶段。
今天，J-WAFS非常高兴地宣布，首届J-WAFS大挑战基金授予了由化学系教授Matt Shoulders和研究科学家Robert Wilson领导的研究团队。一组专家的外部审查员高度认可了他们的提案，该提案解决了作物生物学中长期存在的问题——如何使光合作用更加高效。该团队将在三年内获得150万美元的资金，以促进结合了合成和计算生物学的尖端创新的多阶段研究项目。如果成功，该项目可能为全球农业和食品系统带来重大的利益。
“食品系统是全球温室气体排放的主要来源，它们也越来越容易受到气候变化的影响。这就是为什么当我们谈论气候变化时，我们必须谈论食品系统，反之亦然，”麻省理工学院研究副总裁Maria T. Zuber说。 “J-WAFS是麻省理工学院努力解决气候、水和食品相互关联挑战的中心。这个新的基金项目旨在催化具有真正和有意义的影响的水和食品的创新项目。我祝贺Shoulders教授和研究团队成为该基金的首批获奖者。”
Shoulders将与生物工程副教授Bryan Bryson、化学系副教授Bin Zhang和生物医学研究所和生物系的教授Mary Gehring合作。来自Shoulders实验室的Robert Wilson将协调研究工作。麻省理工学院的团队将与澳大利亚国立大学教授Spencer Whitney和Scripps研究所助理教授Ahmed Badran等外部合作者合作。还将与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的教授Stephen Long进行基于里程碑的合作。该团队由连续定向进化、机器学习、分子动力学模拟、翻译植物生物化学和田间试验等专家组成。
“该项目旨在根本改进植物用于将二氧化碳转化为我们的食物的富含能量的分子的RuBisCO酶，”J-WAFS主任约翰·H·利恩哈特五世说。 “这个困难的问题是一个真正的大挑战，需要大量的资源。在J-WAFS的支持下，通过麻省理工学院的前沿研究，这个长期以来的目标可能终于可以实现，”他补充道。
RuBisCO: 不，这不是新的早餐麦片；它可能是农业革命的关键
不断增长的全球人口、气候变化的影响以及社会和政治冲突（如乌克兰战争）都在威胁食品供应，特别是谷物作物。目前的预测估计，为满足食品需求，农作物产量必须在未来30年内至少增加50％。增加作物产量的一个关键障碍是光合作用酶Ribulose-1,5-Bisphosphate Carboxylase/Oxygenase（RuBisCO）。在光合作用期间，作物利用从光线中收集的能量从大气中吸取二氧化碳（CO2），并将其转化为糖和纤维素以促进生长，这个过程被称为碳固定。 RuBisCO对于从空气中捕获CO2以启动将CO2转化为富含能量的分子（如葡萄糖）的化学反应至关重要。这个反应发生在光合作用的第二阶段，也称为卡尔文循环。没有RuBisCO，几乎所有生命中占据大部分碳获取的化学反应都无法发生。
不幸的是，RuBisCO具有生化缺陷。特别是，该酶作用缓慢。许多其他酶可以处理每秒钟一千个分子，但叶绿体中的RuBisCO仅能固定少于六个二氧化碳分子，这经常限制了植物光合作用的速率。另一个问题是，氧气（O2）分子和二氧化碳分子在形状和化学性质上相对相似，而RuBisCO无法完全区分这两种分子。RuBisCO意外固定氧气会导致能量和碳的损失。此外，在较高温度下，RuBisCO与氧气反应的频率更高，这将导致许多主要作物的光合作用效率下降。
科学共识认为，基因工程和合成生物学的方法可以彻底改革光合作用，并提供保护农作物不受损失的措施。迄今为止，农作物RuBisCO工程一直受到技术障碍的影响，限制了任何显著提高农作物产量的成功。令人兴奋的是，基因工程和合成生物学工具现在已经到达了可以应用和测试的阶段，旨在创建具有新的或改进的生物通路的农作物，以生产更多的食物供日益增长的人口使用。
对抗食品不安全的史诗计划
2023年J-WAFS大挑战项目将利用从生物医学中提取的最先进、变革性的蛋白质工程技术来改善光合作用的生物化学，特别是聚酰胺酶酮羧化酶（RuBisCO）。肩膀和他的团队正计划建立他们所称的增强作物光合作用（EPiC）平台。该项目将在实验室中演变和设计更好的作物RuBisCO，随后验证改进的酶在植物中的效果，最终在田间试验中部署增强的RuBisCO以评估其对作物产量的影响。
最近的几项进展使高通量的农作物RuBisCO工程成为可能。RuBisCO需要一个复杂的伴侣网络，才能在植物中得到适当的组装和功能。伴侣就像是帮手，在蛋白质成熟过程中引导它们，使它们免受聚集的影响，同时协调它们的正确组装。威尔逊和他的合作者此前解锁了在大肠杆菌（E. coli）中重建这种伴侣网络以外的植物RuBisCO重组产生能力。惠特尼现在证实，包括马铃薯、胡萝卜、草莓和烟草在内的一系列农业相关作物的RuBisCO酶也可以使用这种技术表达。惠特尼和威尔逊还开发了一系列RuBisCO依赖性E. coli筛选器，可以从复杂的基因库中识别改进的RuBisCO。此外，肩膀和他的实验室还开发了先进的体内诱变技术，可以实现高效的连续定向进化活动。连续定向进化是指一种蛋白质工程过程，可以在实验室中同时加速自然进化的步骤，从而允许快速测试蛋白质序列。肩膀和巴德兰都有先进的定向进化平台的经验，但这将是首次将定向进化应用于植物的RuBisCO。
人工智能正在改变研究人员进行酶工程的方式。主要调查员张和布莱森将利用现代计算方法来模拟RuBisCO结构的动态并探索其演化景观。具体而言，张将使用分子动力学模拟来模拟并监测蛋白质中的原子和其程序化环境随时间的构象动态。这种方法将帮助团队评估突变和新化学功能对RuBisCO性质的影响。布莱森将利用人工智能和机器学习搜索RuBisCO活性景观中的最佳序列。EPiC平台的计算和生物学部门将共同工作，相互验证和通知彼此的方法，以加速整体工程努力。
肩膀和他的团队将在烟草植物中部署他们设计的酶，以评估它们对生长和产量的影响与自然RuBisCO相比。植物学家格林将协助使用烟草品种尼科蒂阿娜·本特哈米亚纳I筛选改进的RuBisCO变体，可以部署瞬态表达。瞬态表达是一种快速测试新型工程RuBisCO变体是否能在叶绿体中正确合成的方法。通过MIT的这个质量控制检查的变体将传递给澳大利亚国立大学的惠特尼实验室，以稳定转化到尼古丁小鼠（烟草），从而实现对光合改进的有力测量。在最后一步，伊利诺伊大学香槟分校的朗教授将对最有前途的变体进行田间试验。
即使是小的改进也可能产生重大影响
改进RuBisCO的常见批评是，自然进化还没有发现更好的酶，可能意味着不会发现更好的酶。传统观点一直猜测，RuBisCO的特异性因子CO2/O2与其CO2固定效率之间存在催化权衡，导致特异性因子的改进可能会被更慢的碳固定所抵消，反之亦然。这种权衡被认为解释了为什么自然进化缓慢地实现了更好的RuBisCO。但肩膀和团队确信EPiC平台可以释放出对植物RuBisCO的显着总体改进。这个观点得到了威尔逊和惠特尼此前使用定向进化将青藻（植物叶绿体的古代祖先）RuBisCO的CO2固定效率提高了50%并同时提高了特异性因子的支持。
EPiC研究人员预计，他们的初始变体可以使RuBisCO的特异性因子增加20％，而不会影响催化的其他方面。更复杂的变体可以将RuBisCO从其进化陷阱中解放出来，并展示目前在自然界中未观察到的属性。“如果我们实现了接近于这样的改进并将其转化为作物，结果可能有助于改变农业，”Shoulders说。“如果我们的成就更为温和，它仍将吸引大量新的投资到这个基础领域。”
成功地工程化RuBisCO将是一个科学成就，并激发重新改善植物CO2固定的热情。结合其他光合工程的进展，如改善光利用率，可以实现农业的新绿色革命。技术成功的长期影响将体现在作物产量和粮食供应的改善上，以及在更高的田间温度下减少产量损失的韧性。此外，改善土地生产力以及政策倡议将有助于减少农业的环境足迹。通过更多的“每滴作物”，从农业中减少水消耗将对可持续农业实践产生重大推动。
Shoulders补充说：“我们的生物化学家和合成生物学家，计算生物学家和化学家的协作团队与植物生物学家和田间试验专家紧密结合，形成了酶工程的强大反馈循环。这个团队将能够使用最现代化的技术，集中精力工程化作物RuBisCO，以期在保障稳定的作物供应方面取得有意义的进展，希望同时改善食品和水资源安全。”
