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研究揭示细菌如何建立必不可少的固碳机械

利物浦大学的科学家们揭示了关于蓝细菌如何构建细胞器的新见解,而细胞器对于它们的光合作用能力至关重要。与中国科学技术大学合作进行的这项研究已在PNAS上发表。

蓝细菌是一群古老的光合微生物,存在于海洋和大多数内陆水域。他们已经进化出一种蛋白质细胞器,称为羧基小体,可以有效地将环境中的二氧化碳转化为糖。

这种转化的关键步骤是固碳酶Rubisco催化。但是,Rubisco的“设计”很差,因为当周围高水平的O2时,Rubisco不能有效地固定CO2。蓝细菌羧化酶将Rubisco酶隔离并浓缩在分离的隔室内,并为Rubisco提供低O2的环境以改善碳固定。

利物浦大学教授,该论文的资深作者刘宁说:“蓝细菌细胞如何产生复杂的羧基体结构并在细胞器中堆积Rubisco酶以具有生物学功能是一个谜。”“我的研究小组有兴趣解决这一生物学过程中的关键问题。”

Rubisco复合物的形成涉及一些称为伴侣蛋白的“辅助”蛋白质,其中包括一种名为Rubisco装配因子1(Raf1)的蛋白质。为了了解Raf1的确切作用,研究小组使用了最新的显微镜技术,例如共聚焦荧光显微镜,电子显微镜和低温电子显微镜,并结合了分子生物学和生化技术来研究Raf1如何与Rubisco相互作用。亚基可促进Rubisco的装配,以及当细胞不产生Raf1时如何影响羧基体的形成。

研究人员证明Raf1对建立Rubisco复合物至关重要。没有Raf1,Rubisco配合物的组装效率较低,并且不能密集地包裹在羧基体内部。这可能极大地影响羧基体的构建并因此影响蓝细菌细胞的生长。

“这是我们首次确定Rubisco装配伴侣在蓝细菌细胞中羧基体生物合成中的功能,” Leverhulme Trust早期职业研究员Fang Huang博士说,他是本文的第一作者。“我们对这一发现感到非常兴奋。它还使我们能够提出一个新的羧基体生物发生工作模型,该模型详细地告诉我们Rubisco复合物是如何产生的,Raf1如何驱动Rubisco堆积以及如何构建整个羧基体结构。”

当前,对将羧基体转移到农作物中以提高农作物的产量和粮食生产具有极大的兴趣。这项研究可能会提供生产完整的功能性固碳机械所需的重要信息。

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