Forskere kaster nyt lys over carboxysomer i nøgleopdagelser, der kan øge fotosyntesen

Et forskerhold ledet af Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har opdaget, hvordan carboxysomer - kulstoffikserende strukturer fundet i nogle bakterier og alger - virker. Gennembruddet kan hjælpe forskerne med at redesigne og genbruge strukturerne for at sætte planter i stand til at omdanne sollys til mere energi, hvilket baner vejen for forbedret fotosynteseeffektivitet, hvilket potentielt kan øge den globale fødevareforsyning og afbøde den globale opvarmning.

Carboxysomer er bittesmå rum i visse bakterier og alger, der omslutter bestemte enzymer i en skal lavet af proteiner. De udfører kulstoffiksering, som er processen med at omdanne kuldioxid fra atmosfæren til organiske forbindelser, der kan bruges af cellen til vækst og energi. Forskere har forsøgt at finde ud af, hvordan disse rum sætter sig sammen.

I deres seneste forskning har holdet ledet af prof. Zeng Qinglu, lektor ved HKUSTs afdeling for havvidenskab, vist den overordnede arkitektur af carboxysomer renset fra en type bakterier kaldet Prochlorococcus.

I samarbejde med prof. Zhou Cong-Zhao fra School of Life Sciences ved University of Science &Technology i Kina, overvandt holdet en af ​​de største tekniske vanskeligheder med cellebrud og kontaminering, hvilket ville forhindre korrekt oprensning af carboxysomer. Holdet foreslår også en komplet samlingsmodel af α-carboxysom, som ikke er blevet observeret i tidligere undersøgelser.

Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Nature Plants .

Holdet brugte specifikt enkelt-partikel kryo-elektronmikroskopi til at bestemme strukturen af ​​α-carboxysom og karakterisere samlingsmønsteret af proteinskallen, der ligner en 20-sidet form med specifikke proteiner arrangeret på dens overflade. For at opnå strukturen af ​​det minimale α-carboxysom med en diameter på 86 nm, indsamlede de over 23.400 billeder taget fra mikroskopet på HKUST Biological Cryo-EM Center og manuelt plukket omkring 32.000 intakte α-carboxysompartikler til analyse.

Indvendigt er RuBisCO-enzymerne arrangeret i tre koncentriske lag, og forskerholdet opdagede også, at et protein kaldet CsoS2 er med til at holde alt sammen inde i skallen. Endelig tyder fundene på, at carboxysomer sættes sammen udefra og ind. Det betyder, at den indvendige overflade af skallen styrkes af visse dele af CsoS2-proteinet, mens andre dele af proteinet tiltrækker RuBisCO-enzymerne og organiserer dem i lag.

En af de mest lovende anvendelser af carboxysom er i plantesyntetisk biologi, hvorved introduktionen af ​​carboxysom i plantechloroplaster som CO₂ -koncentreringsmekanisme kan forbedre fotosynteseeffektiviteten og afgrødeudbyttet.

"Vores undersøgelse afslører mysteriet om α-carboxysom-samling fra Prochlorococcus og giver dermed ny indsigt i global kulstofkredsløb," siger prof. Zeng.

Resultaterne vil også være vigtige for at bremse den globale opvarmning, forklarer han, da marine cyanobakterier fikserer 25 % af den globale CO₂ . "Vores forståelse af CO₂ fikseringsmekanisme for marine cyanobakterier vil sætte os i stand til at forbedre deres CO₂ fikseringshastighed, så mere CO₂ kan fjernes fra atmosfæren,« siger han.

Efter denne undersøgelse planlægger holdet at introducere Prochlorococcus α-carboxysom i plantechloroplaster og undersøge, om det minimale α-carboxysom kan forbedre den fotosynteseeffektivitet i planter. De planlægger også at modificere carboxysom-generne og lave genetisk modificerede supercyanobakterier, der er i stand til at fiksere kuldioxid i meget høje hastigheder, hvilket kan være i stand til at bremse den globale opvarmning.

Flere oplysninger: Rui-Qian Zhou et al., Struktur og samling af α-carboxysomet i den marine cyanobakterie Prochlorococcus, Naturplanter (2024). DOI:10.1038/s41477-024-01660-9

Journaloplysninger: Naturplanter

Leveret af Hong Kong University of Science and Technology