En forskargrupp ledd av Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har upptäckt hur karboxysomer - kolfixerande strukturer som finns i vissa bakterier och alger - fungerar. Genombrottet kan hjälpa forskare att omdesigna och återanvända strukturerna för att göra det möjligt för växter att omvandla solljus till mer energi, vilket banar väg för förbättrad fotosynteseffektivitet, potentiellt öka den globala livsmedelsförsörjningen och dämpa den globala uppvärmningen.
Karboxysomer är små fack i vissa bakterier och alger som omsluter särskilda enzymer i ett skal gjort av proteiner. De utför kolfixering, vilket är processen att omvandla koldioxid från atmosfären till organiska föreningar som kan användas av cellen för tillväxt och energi. Forskare har försökt ta reda på hur dessa fack sätter sig själva.
I sin senaste forskning har teamet under ledning av prof. Zeng Qinglu, docent vid HKUST:s institution för havsvetenskap, visat den övergripande arkitekturen hos karboxysomer renade från en typ av bakterier som kallas Prochlorococcus.
I samarbete med professor Zhou Cong-Zhao från School of Life Sciences vid University of Science &Technology i Kina, övervann teamet en av de största tekniska svårigheterna med cellbrott och kontaminering, vilket skulle förhindra korrekt rening av karboxysomer. Teamet föreslår också en komplett sammansättningsmodell av α-karboxisom, som inte har observerats i tidigare studier.
Deras forskning är publicerad i tidskriften Nature Plants .
Teamet använde specifikt enpartikelkryo-elektronmikroskopi för att bestämma strukturen av α-karboxisom och karakterisera sammansättningsmönstret för proteinskalet, som ser ut som en 20-sidig form med specifika proteiner arrangerade på dess yta. För att erhålla strukturen av den minimala α-karboxisomen med en diameter på 86 nm, samlade de in över 23 400 bilder tagna från mikroskopet vid HKUST Biological Cryo-EM Center och plockade manuellt ca 32 000 intakta α-karboxisompartiklar för analys.
Inuti är RuBisCO-enzymerna ordnade i tre koncentriska lager, och forskargruppen upptäckte också att ett protein som heter CsoS2 hjälper till att hålla ihop allt inne i skalet. Slutligen tyder fynden på att karboxisomer sätts ihop utifrån och in. Det betyder att skalets insida stärks av vissa delar av CsoS2-proteinet, medan andra delar av proteinet drar till sig RuBisCO-enzymer och organiserar dem i lager.
En av de mest lovande tillämpningarna av karboxisom är i växtsyntetisk biologi, varvid införandet av karboxisom i växtkloroplaster som CO2 -koncentreringsmekanism kan förbättra fotosynteseffektiviteten och skörden.
"Vår studie avslöjar mysteriet med α-karboxisomsammansättning från Prochlorococcus, vilket ger nya insikter om globala kolkretslopp", säger prof. Zeng.
Fynden kommer också att vara viktiga för att bromsa den globala uppvärmningen, förklarar han, eftersom marina cyanobakterier fixerar 25 % av global CO2 . "Vår förståelse av CO2 fixeringsmekanismen för marina cyanobakterier kommer att göra det möjligt för oss att förbättra deras CO2 fixeringshastighet så att mer CO2 kan avlägsnas från atmosfären, säger han.
Efter denna studie planerar teamet att introducera Prochlorococcus α-karboxisom i växtkloroplaster och undersöka om den minimala α-karboxisomen kan förbättra den fotosyntetiska effektiviteten i växter. De planerar också att modifiera karboxisomgenerna och göra genetiskt modifierade supercyanobakterier som kan fixera koldioxid i mycket höga hastigheter, vilket kan kunna bromsa den globala uppvärmningen.
Mer information: Rui-Qian Zhou et al, Struktur och sammansättning av α-karboxisomen i den marina cyanobakterien Prochlorococcus, Naturväxter (2024). DOI:10.1038/s41477-024-01660-9
Journalinformation: Naturväxter
Tillhandahålls av Hong Kong University of Science and Technology
