关键的羧基体的发现使科学家离超级光合作用又近了一大步

香港科技大学的一个研究小组提高了我们对细菌和藻类中固定碳的羧基体的认识。他们已经展示了如何纯化这些物质，并详细说明了它们的结构，为提高植物光合作用和作物产量铺平了道路，这可能有助于增加粮食供应和对抗全球变暖。他们未来的计划包括修改这些结构以提高它们的功能，并将它们整合到植物中，以测试它们在增加光合作用方面的有效性。

　　

香港科技大学(科大)的一个研究小组在了解某些细菌和藻类中固定碳的结构羧基体方面取得了重大进展。这一发现可以让研究人员修改和再利用这些结构，增强植物将阳光转化为能量的能力。这一进步可能会导致更高的光合作用效率，从而增加全球粮食供应，并有助于对抗全球变暖。

羧基小体是某些细菌和藻类中的微小隔间，它将特定的酶包裹在由蛋白质组成的外壳中。它们进行碳固定，这是将大气中的二氧化碳转化为有机化合物的过程，这些有机化合物可以被细胞用于生长和能量。科学家们一直在试图弄清楚这些隔层是如何组合在一起的。

原绿球藻α-羧基体的自组装模型。

羧基体研究的突破

在最新的研究中，由科大海洋科学系副教授Zeng Qinglu教授领导的研究小组展示了从一种叫做原绿球藻的细菌中纯化出来的羧基体的整体结构。在与中国科学技术大学生命科学学院Zhou Cong-Zhao教授的合作下，该团队克服了细胞断裂和污染这一最大的技术难题之一，这将阻碍羧基体的适当纯化。该团队还提出了一个完整的α-羧基体组装模型，这在以前的研究中没有观察到。

具体来说，研究小组利用单粒子低温电子显微镜确定了α-羧基体的结构，并表征了蛋白质外壳的组装模式，它看起来像一个20边的形状，表面排列着特定的蛋白质。

为了获得直径为86 nm的最小α-羧基体的结构，他们从科大生物低温电子显微镜中心收集了23,400多张显微镜图像，并人工挑选了约32,000个完整的α-羧基体颗粒进行分析。

羧基体的内部结构和组装

在壳内，RuBisCO酶排列在三个同心层中，研究小组还发现一种名为CsoS2的蛋白质有助于将壳内的所有物质结合在一起。最后，研究结果表明，羧酸体是由外而内组合在一起的。这意味着外壳的内表面由CsoS2蛋白的某些部分加强，而蛋白质的其他部分吸引RuBisCO酶并将它们组织成层。

其中一个最有前途的应用是在植物合成生物学中，将羧体引入植物叶绿体中作为CO2浓缩机制，可以提高光合效率和作物产量。

“我们的研究揭示了原绿球藻α-羧基体组装的奥秘，从而为全球碳循环提供了新的见解，”Zeng教授说。他说，这些发现对减缓全球变暖也很重要，因为海洋蓝藻可以固定全球25%的二氧化碳。他说:“我们对海洋蓝藻的二氧化碳固定机制的了解将使我们能够提高它们的二氧化碳固定率，从而从大气中去除更多的二氧化碳。”

接下来，团队计划将原绿球藻α-羧化体引入植物叶绿体，研究最小α-羧化体是否能提高植物的光合效率。他们还计划修改羧基体基因，并制造转基因的超级蓝藻，这种细菌能够以非常高的速度固定二氧化碳，这可能能够减缓全球变暖。

参考文献:“Structure and assembly of the α-carboxysome in the marine cyanobacterium Prochlorococcus” by Rui-Qian Zhou, Yong-Liang Jiang, Haofu Li, Pu Hou, Wen-Wen Kong, Jia-Xin Deng, Yuxing Chen, Cong-Zhao Zhou and Qinglu Zeng, 8 April 2024, Nature Plants.