在延时视频中捕获的细菌黑匣子的内部工作原理

几乎在地球上的每个生态系统中都发现了蓝藻，它是少数可以通过光合作用产生自身能量并从二氧化碳分子中“固定”碳的细菌之一 - 并将其转化为称为羧基体的微小隔室内的燃料。加利福尼亚大学伯克利分校和能源部联合基因组研究所(DOE JGI)的研究人员利用开创性的可视化方法，制作了这种复杂而重要的细胞机器的电影，这些电影正在活细胞内组装。他们观察到细菌以植物，动物和其他真核细胞中从未见过的方式构建这些内部区室。

真实的细胞器不像真核细胞器一样从内到外聚集，”资深作者Cheryl Kerfeld说，他曾是DOE JGI的前身，现在在密歇根州立大学和加州大学伯克利分校。该研究结果于2013年11月21日发表在Cell杂志上，将阐明细菌生理学，也可能影响纳米技术的发展。

虽然蓝藻通常被称为蓝绿藻，但这个名称用词不当，因为藻类具有称为细胞器的复杂的膜结合区 - 包括叶绿体 - 进行光合作用，而蓝细菌与所有其他细菌一样，缺乏膜结合的细胞器。它们的大部分细胞机器 - 包括它们的DNA - 漂浮在细胞的细胞质中，不受细胞膜的限制。然而，他们确实有一些基本的微区，其中发生了一些专门的任务。

看起来很像病毒的多面包络，carboxysomes是二十面体，有大约20个三角形的边或小平面。它们含有大量的核酮糖1,5二磷酸羧化酶加氧酶(通常称为RuBisCo)，这是一种在蛋白质壳内固定碳所需的极其丰富但缓慢的酶。微室还有助于浓缩二氧化碳并将其围绕在RuBisCo附近，同时锁定氧气，否则氧气会抑制碳固定中涉及的化学反应。

因为它们非常丰富，蓝藻在地球的碳循环，空气，海洋和陆地之间的碳运动中发挥着重要作用。“全球碳固定的很大一部分发生在carboxysomes，”Kerfeld说。蓝藻和植物一起通过降低大气中的碳含量并将其沉积在海洋和陆地的有机物中来影响气候变化。

为了跟踪carboxysome组装，第一作者，杰弗里·卡梅伦，开发了Kerfeld称为“可诱导系统开启carboxysome生源。”他首先研制出的突变株聚球藻有意破坏其基因构建羧基体的蓝藻，然后引入已用荧光标记物标记的每个敲除基因的产物。他拍摄了细菌的延时数字图像 - 一种称为延时显微镜的技术 - 因为他们使用发光的积木并将它们整合到他们新的carboxysomes中。研究小组还使用透射电子显微镜对羧基构造的中间阶段进行了高分辨率静态拍摄。通过这些详细的图像，他们能够为每个被淘汰的基因的每个产品提供特定的作用，以及细菌如何构建其羧基体的时间表。

电影：在“开启”关键基因后，蓝细菌开始用荧光标记材料构建羧基体。视频由每三分钟拍摄的静止图像组成，从诱导基因后两小时开始。图片来源：Jeffrey Cameron和Cheryl Kerfeld。

这是科学家第一次能够观察细菌细胞器，因为它们是由活细胞构建的。克尔菲尔德指出，不仅拍摄技术比以前的方法有了重大进步，而且对这项工作有深远的影响。

“这些结果为封装在carboxysome中的酶的组织提供了线索，以及它如何增强CO2固定，”Kerfeld说。此外，这些研究结果不仅有助于研究人员更好地了解这个以前神秘的隔间是如何工作的，他们还可以调整Kerfeld团队对羧基体系结构的了解，并将其应用于设计合成纳米级反应器。了解蓝藻中的碳固定有助于我们理解这种无处不在的有机体如何影响全球碳循环。