工程化更具韧性的作物以应对气候变暖
随着全球变暖伴随更多的干旱和热浪，一些主要作物的收成正在减少。但更不易察觉的是这些植物内部发生的变化，高温可以分解维持其生命的分子机器。
这个机器的核心是一个由太阳驱动的过程，它支撑着地球上几乎所有的生命：光合作用。植物通过光合作用产生葡萄糖以促进其生长，这依赖于植物细胞内酶的复杂协调。随着全球气温上升，这种协调可能会失灵。
密歇根州立大学的副教授Berkley Walker每天都在思考如何保持这种协调性。“自然界已经为许多能够耐热的酶提供了蓝图，”他说。“我们的工作是学习这些例子，并将同样的韧性构建到我们所依赖的作物中。”
Walker的实验室专注于光合作用中一种叫做甘油酸激酶（GLYK）的关键酶，这种酶帮助植物在光合作用过程中回收碳。有一种假设认为，如果温度过高，GLYK会停止工作，光合作用就会失败。
Walker的团队开始研究其原因。由于GLYK的结构从未通过实验确定，他们转向使用AlphaFold来预测其3D形状，不仅针对植物，也针对一种在火山温泉中繁茂生长的嗜热藻类。通过将AlphaFold预测的形状输入到复杂的分子模拟中，研究人员可以观察这些酶在温度升高时的弯曲和扭转。
就在这时，问题变得清晰起来：植物版本GLYK中的三个柔性环在高温下会扭曲变形。Walker说，仅靠实验永远无法提供这样的见解：“AlphaFold使我们能够获取实验上无法获得的酶结构，并帮助我们确定了需要修改的关键区域。”
有了这些知识，Walker实验室的研究人员制造了一系列杂交酶，用从藻类GLYK中借来的、更刚性的环替换了植物GLYK中的不稳定环。其中一个杂交酶表现非常出色，在高达65°C的温度下仍保持稳定。
Walker的下一步是培育经过工程改造、能产生这些杂交酶的植物，并测试它们在面临高温时是否能保持性能。如果成功，这种方法可以扩展到光合作用中其他对温度敏感的酶。其理念是强化支撑植物生长的关键过程。随着时间的推移，这一策略可能发展成一个分子工具箱，帮助农业使多种作物适应变暖的世界，保障收成，为子孙后代确保粮食生产。
