重大突破！中港科学家首次解析蓝藻羧酶体三维结构
重大突破！中港科学家首次解析蓝藻羧酶体三维结构
近日，中国科学技术大学与香港科技大学的研究团队在Nature Plants期刊上发表重要研究成果，首次解析了海洋原绿球藻完整羧酶体的三维结构，并揭示了其主要蛋白组分的组装模式。这一突破性发现不仅加深了我们对蓝藻固碳机制的理解，也为人工固碳技术的发展提供了新的思路。
蓝藻是地球上最古老的原核自养细菌，在进化过程中发展出独特的CO2浓缩机制（CCM）。这种机制通过一系列碳转运体将无机碳转运到细胞内，并在固碳机器羧酶体内高度富集CO2，从而提高内部被包裹的固碳酶RuBisCO的羧化速率。作为全球碳循环的主要贡献者，原绿球藻是地球上最丰富的光合自养微生物，细胞直径仅有0.5~0.7微米，其CCM仅由十个基因组成的单一操纵子编码，是目前发现的最简化的CCM基因簇。
羧酶体是CCM的核心成分，由数千个蛋白质分子自组装形成的超大蛋白微体，包括蛋白质外壳和内部包裹的RuBisCO和碳酸酐酶。由于羧酶体尺寸巨大，组装高度动态复杂，尽管羧酶体各蛋白组分的结构和功能已有深入研究，但完整羧酶体的三维结构和主要蛋白组分的自组装过程仍不清楚，这极大限制了羧酶体的改造设计和在生物固碳和农作物改良等领域的应用。
图1 原绿球藻ɑ羧酶体的自组装模式图
研究团队通过单颗粒冷冻电镜技术成功解析了海洋原绿球藻完整羧酶体的三维结构。他们首先通过分步离心和蔗糖密度梯度离心等手段纯化羧酶体样品，发现原绿球藻的ɑ羧酶体直径约为90 nm，是目前已知的尺寸最小的羧酶体。利用定量质谱确定了羧酶体的各个蛋白组分的相对化学计量比。
通过冷冻电镜单颗粒技术结合分块重构算法，研究团队计算得到了完整羧酶体类似二十面体形状的外壳三维结构，分辨率为4.2 Å。羧酶体外壳由位于20个面的480个CsoS1六聚体以及位于顶点的12个CsoS4A五聚体组成。内部的RuBisCO有序排列形成三层环状结构，由外往内分别由72、32和4个RuBisCO分子组成。支架蛋白CsoS2通过中间区域MR（共有6个重复区，M1M6）和C端区域CR（共有3个重复区，C1C3）结合在外壳的内表面，形成多价相互作用网络，介导RuBisCO和外壳的有序自组装。
基于这些发现，研究团队提出了α-羧酶体组装的基本规律：六聚体和五聚体蛋白自组装形成外壳，支架蛋白CsoS2的MR和CR结合外壳内表面，进一步稳定外壳结构和决定羧酶体的尺寸大小，CsoS2的N端交联RuBisCO形成内核，促成完整α-羧酶体的组装和成熟。
这项研究不仅揭示了羧酶体的精细结构和组装机制，还为人工设计和优化固碳系统提供了重要参考。未来，基于这些发现，科学家们有望开发出更高效的生物固碳技术，为应对全球气候变化提供新的解决方案。
本文原文来自Nature Plants