Cell最新技术：探索内部机制的利器

　　

生物通报道：来自美国加州大学伯克利分校，能源部联合基因组研究所（DOE JGI）的研究人员首创了一种先进的可视技术，解析了几乎遍布地球每一个生态系统的一种生物：蓝藻的内部结构，这将有助于了解细菌生理作用机制，以及促进纳米科技的发展。

这一研究成果公布在11月的Cell杂志上，文章的通讯作者是原DOE JGI研究员Cheryl Kerfeld，她现就职于密歇根大学以及加州大学伯克利分校。她表示，“蓝藻羧酶体（carboxysome）不同于真核细胞器，是从内向外组装装配的”。

（这一图片演示了研究人员探索蓝藻组装的步骤）

虽然蓝藻通常被称为蓝绿藻（blue-green algae），但这个名词并不恰当，因为藻类具有复杂的膜结合隔间结构，也就是细胞器，比如叶绿体，这种细胞器能进行光合作用，而蓝藻则同其它所有细菌一样，缺乏膜结合细胞器结构。它们大部分的细胞机器，包括DNA在内都是  漂浮在细胞质膜上。不过它们也有基本的分区用于特殊功能的执行。

为了追踪蓝藻carboxysome的组装过程，文章第一作者Jeffrey Cameron开发了一种Kerfeld称之为“开启羧酶体生物合成的诱导系统”。首先他们构建了聚球蓝藻（Synechococcus cyanobacterium）突变株——其构建羧酶体的基因已被破坏，然后研究人员又将各个标记了荧光标记的敲除基因引入。这样就能捕获细菌的延时数字成像图片，这个技术被称为时差显微技术（time-lapse microscopy）。

而且研究人员还利用透射电子显微镜（transmission electron microscope）获得高分辨率静态成像图片，解析羧酶体构建的中间过程。通过这些详细的图片，研究人员发现了每个敲除基因产物的特殊作用，以及细菌是如何构建起羧酶体的时间表。同时研究人员还指出，其它
细菌可能也是同样的方式由内向外构建不同类型的分区。

这是科学家们首次能够观察到活细胞中细菌细胞器，Kerfeld指出，这种成像技术不仅是以前方法的一大进步，而且也有对这项工作产生了深远的影响。

“这一研究结果了解羧酶体中酶组装提供了线索，而且也有助于解析这对于二氧化碳固定的作用，”Kerfeld说。此外，这一发现有助于研究人员更好地了解这个神秘结构的工作机制，并且将其应用到设计合成纳米级反应器。（生物通：张迪）

原文摘要：
Biogenesis of a Bacterial Organelle: The Carboxysome Assembly Pathway

The carboxysome is a protein-based organelle for carbon fixation in cyanobacteria, keystone organisms in the global carbon cycle. It is composed of thousands of subunits including hexameric and pentameric proteins that form a shell to encapsulate the enzymes ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase and carbonic anhydrase. Here, we describe the stages of carboxysome assembly and the requisite gene products necessary for progression through each. Our results demonstrate that, unlike membrane-bound organelles of eukaryotes, in carboxysomes the interior of the compartment forms first, at a distinct site within the cell. Subsequently, shell proteins encapsulate this procarboxysome, inducing budding and distribution of functional organelles within the cell. We propose that the principles of carboxysome assembly that we have uncovered extend to diverse bacterial microcompartments.