在光合作用的世界裡，有一台奇特的「機器」──Rubisco。它每天負責把二氧化碳（CO₂）固定下來，變成植物能用的能量來源。沒有它，就沒有米飯、麵包，也沒有我們熟悉的森林與農田。
1. 動作慢，就像一個工廠裡的員工，每秒只能處理幾件零件，效率低得驚人。
2. 常常認錯東西，它會把氧氣（O₂）誤當成 CO₂，結果生產出錯誤的產品，還得花力氣去回收。
科學家們早就想辦法要把 Rubisco 變得更聰明、更快速。但Rubisco在大自然中演化了幾十億年，好像一直都卡在這個「又慢又笨」的狀態裡。真的沒有解方嗎？
首先，如果要同時改善Rubisco的兩大毛病，這可能會是「Mission Impossible」。如果能找到一個只有一個毛病的Rubisco，這樣只要專心改另一個問題，會比較容易一點。
研究團隊就找到了一個這麼特別的 Rubisco！這個Rubisco來自叫做 Gallionellaceae 的細菌。它可說是Rubisco界的短跑冠軍──它每秒能處理 25 個 CO₂，遠超過植物的 Rubisco（每秒1-10個）。
不過，這位短跑冠軍一旦遇到氧氣，就立刻失常，幾乎跑不起來。它在低氧環境下跑超快，但是在正常大氣條件下反而成了老弱殘兵。
研究團隊的任務是：能不能替這位短跑冠軍戴上「防毒面罩」，讓他在氧氣裡也能持續狂奔？
為了達成這個任務，研究團隊把這位短跑冠軍帶進了大腸桿菌。
在大腸桿菌中，他們設計了一個「代謝陷阱」。這個大腸桿菌裡面有一個會不斷製造 RuBP 的酵素。雖然RuBP是植物卡爾文循環的原料，但是對細菌來說卻是毒藥，會讓它死翹翹。
唯一的解藥，就是 Rubisco。它能把 RuBP 和 CO₂ 結合，轉換成無害的產物。
這麼一來，大腸桿菌的生死就完全取決於 Rubisco 的表現。如果Rubisco 功能好，RuBP不會累積，細菌就可以活下來；如果Rubisco 效率差，RuBP就會愈來愈多，於是細菌就會中毒死掉。
那麼，要怎麼讓 Rubisco 有機會進步呢？這時，研究團隊拿出了一個強力工具：MutaT7。
MutaT7就像一隻「突變筆」，專門在 Rubisco 上塗塗改改。
也就是說，整個系統變成這樣：MutaT7 在大腸桿菌裡不停地替 Rubisco 製造突變。這些突變，有的會讓Rubisco進步、有的會讓Rubisco退步。因為大腸桿菌需要有進步的 Rubisco 才能生存，所以，雖然任何突變都可能發生，但是只有讓Rubisco進步的突變，才會留下來。
而且，研究團隊在培養大腸桿菌時加入了氧氣。所以，只有在有氧氣的狀態下還能繼續有效的進行反應的Rubisco才會讓細菌活下來。
這非常省事：研究團隊不用一個一個挑，只要看哪個細菌還能長大，那背後的 Rubisco 基因就是「成功升級」的版本。有沒有像那種號稱「放置型」的手遊，都不用管就會自己升級？ 這其實就是所謂的「體內定向演化」──整個實驗設計就像一場分子版的《魷魚遊戲》，只不過參賽者是大腸桿菌裡的 Rubisco 變異株，遊戲規則是「處理掉 RuBP」。
圖片作者：ChatGPT
他們只花了一個月，就跑了六輪演化。然後，他們得到了戴上防毒面罩的短跑冠軍！
這個短跑冠軍上有三個關鍵突變：
E40K：讓 Rubisco 在氧氣環境下的效率提升 25%。
T29A：提升 11%。
R337C：提升 8%。
這三個突變，就像給短跑選手戴上防毒面罩，讓他在有氧環境中依然能保持速度。
不過，這些改良版 Rubisco 在缺氧環境下反而退步了，效率下降 16%。這意味著：演化永遠是取捨，改造只是針對特定情境的優化，而不是全能升級。
透過這個研究，證明 Rubisco 的缺陷並非完全無法突破的「天險」，只要有合適的突變與有效率的篩選，就能找到更好的版本。
對農業來說，如果能把這些突變導入植物，或找到對應的機制，農作物進行光合作用的效率就會大幅提高，產量應該也會提升。
不過，高等植物的 Rubisco 結構要比細菌的要複雜得多，所以要實際應用還需要進一步測試。
從靠著PCR進行的SELEX到「體內定向演化」，我們可以看到分子版的《魷魚遊戲》幫助科學家們找出更有效率的酵素、改進光合作用。想到第一版的「定向演化」有多辛苦，真的是有滄海桑田之感哪！
參考文獻：
McDonald, J. L., Shapiro, N. P., Mengiste, A. A., Kaines, S., Whitney, S. M., Wilson, R. H., & Shoulders, M. D. (2025). In vivo directed evolution of an ultrafast Rubisco from a semianaerobic environment imparts oxygen resistance. PNAS, 122(27), e2505083122
