卡爾文循環的生化細節和調控牽涉酶動力學、代謝流分析和演化。
Rubisco 的結構與催化
Form I Rubisco（L₈S₈，見於高等植物）的催化效率極低（kcat ≈ 2-5 s⁻¹），且具有雙重活性——既催化羧化（CO₂ 固定）也催化氧化（O₂ 固定，引發光呼吸）。Rubisco 的 CO₂/O₂ 特異性因子（Sc/o = Vc·Ko / Vo·Kc）決定了兩者競爭的結果：C3 植物約 80-90，某些紅藻 Form I Rubisco 可達 200 以上（Whitney et al., 2011, Plant Cell 23: 4477）。提高 Sc/o 而不降低 Vc 是農業生物技術的「聖杯」。
代謝通量分析
Stitt & Hurry（2002, Plant Cell Environ. 25: 153）的通量控制分析（metabolic control analysis, MCA）顯示：在飽和光照下，Rubisco 的通量控制係數（CJ）約 0.3-0.5，但在低 CO₂ 環境中升至接近 1.0。RuBP 再生（受限於電子傳遞速率）的 CJ 在強光飽和 CO₂ 條件下接近 1.0。因此，提高光合速率的策略取決於限制條件：CO₂ 限制時改良 Rubisco，光限制時提升電子傳遞效能。
Rubisco activase 的熱敏感性
Rubisco activase 是對高溫最敏感的光合酶之一，其變性溫度約 40-42°C。Salvucci et al.（2001, Plant Physiol. 127: 1053）發現 activase 的 α-isoform 在高溫下快速失活，導致 Rubisco 活性位被 CA1P 和 RuBP 堵塞。培育或工程化耐熱 activase 是因應全球暖化的策略之一。
CBB 循環的演化起源
CBB 循環中多數酶（如 GAPDH、aldolase、TPI）與糖解作用共享同源基因，支持 CBB 循環由異營代謝路徑「倒轉」而來的假說。然而 Rubisco 和 PRK 是 CBB 獨有的——Rubisco 的祖先可能是古菌中的甲硫醚裂解酶（Tabita et al., 2007, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 71: 576），在大氧化事件之前，早期 Rubisco 不需要區分 CO₂ 和 O₂，因為大氣幾乎無 O₂。
合成生物學的 CBB 循環改良
South et al.（2019, Science 363: 45）在菸草中引入甘醇酸代謝旁路（glycolate metabolism bypass），繞過耗能的光呼吸途徑，在田間試驗中使生物量增加約 40%。此外，Schwander et al.（2016, Science 354: 900）設計了全新的 CETCH 循環（crotonyl-CoA/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA cycle），使用比 Rubisco 更高效的固碳酶（crotonyl-CoA carboxylase/reductase，kcat 約 43 s⁻¹），為人工碳固定提供了新方向。
文獻參考：Whitney, S.M. et al. (2011). Plant Cell, 23, 4477-4484. / South, P.F. et al. (2019). Science, 363, 45-48.