细菌如何构建超高效的光合作用机器

面对未来人口较多且气候更加不确定的研究人员正在寻找提高作物产量的方法，他们正在寻找光合细菌来寻找工程解决方案。

在“生物化学杂志”上，一个加拿大研究小组报告了蓝藻如何成为光合作用中最浪费的步骤之一。该研究调查了羧基体的组装，其中细菌浓缩二氧化碳，提高了称为RubisCO的关键酶的效率。

“基本上我们所吃的一切都是从RubisCO开始的，”加拿大安大略省圭尔夫大学教授，最近的论文的资深作者Matthew Kimber说。

该酶由16个蛋白质亚基组成，对光合作用至关重要。利用从光中捕获的能量，它将二氧化碳结合到有机分子中，然后植物从中生成新的糖。不幸的是，它并不是非常有效。或者，从金伯的观点来看，“RubisCO的任务非常费力。”

这种酶在古老的世界中进化，二氧化碳很常见，氧气很少见。结果，区分两种气体并不是很挑剔。现在大气层已经转向，RubisCO经常意外地捕获氧气，产生无用的化合物，然后工厂必须投入额外的能量来回收利用。

与植物相比，蓝细菌很少会出现这种错误。这是因为细菌将他们的RubisCO收集到称为carboxysomes的致密体内。细菌将碳酸氢盐(简单的水合二氧化碳)泵入细胞;一旦进入羧基体，酶将碳酸氢盐转化为二氧化碳。因为二氧化碳不能通过羧基体周围的蛋白质壳逃逸，所以它会积聚到高浓度，帮助RubisCO避免代价高昂的错误。

金伯对carboxysomes的兴趣主要在于理解他们组织的逻辑。“他们实际上是非常错综复杂的机器，”他解释道。“蓝藻细菌产生11种左右的正常蛋白质，这些蛋白质以某种方式组织成这种自我调节的巨型复合物，可以超过小细胞的大小。”

carboxysomes最令人印象深刻的技巧之一是自组装，Kimber的实验室着手了解。他们研究了一种名为CcmM的蛋白质，它将RubisCO酶转化为新的羧基体。他们知道CcmM的一部分看起来很像RubisCO的一个亚基 - 实际上，研究人员怀疑古代蓝细菌最初通过复制RubisCO基因来创造CcmM。该领域的大多数科学家认为CcmM通过篡夺该亚基的斑点而与酶结合。但是当Kimber的实验室详细研究CcmM时，使用生物物理技术来观察蛋白质的结构和结合，结果表明接受的智慧是错误的。确实，CcmM的形状与小的RubisCO亚基相似。但它形成的复合物仍然包括所有8个小亚基，

“从生物学的角度来看，这是非常奇怪的，因为如果CcmM通过复制小亚基而产生，它几乎肯定最初以相同的方式结合，”金伯说。“在某些时候，它必须进化到更喜欢新的绑定站点。”

研究人员还发现，CcmM中结合域之间的连接体足够短，“它不是缠绕在RubisCO周围，而是将(单个酶)束缚在一起，就像串上的珠子一样。有几个这样的连接器随机地连接每个RubisCO，它将所有的东西交换成这个巨大的水珠;你围绕它包裹一个壳，然后它变成了carboxysome。“

去年秋天，另一所大学的科学家报告称，他们已经成功地在烟草植物的叶绿体中制造了一个剥离的羧基体。这些植物生长得不是特别好，作者得出结论认为它们已经带走了过多的羧基组成部分;虽然它可能是在叶绿体中建造的，但它对植物造成了拖累而不是帮助。更好地了解CcmM等蛋白质如何有助于羧基构建和功能，可以帮助生物工程师在下一代工程植物中利用羧基体的效率。