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揭秘蓝细菌如何构建超高效光合作用机器
2019-02-12 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:规划战略与信息中心
    

  面对未来人口增多和气候剧烈变化,研究人员正在寻找利用光合细菌提高作物产量的方法。2018年12月27日Journal of Biological Chemistry报道,加拿大圭尔夫大学研究者解析了蓝细菌如何巧妙而高效地进行光合作用,其原因在于蓝细菌通过浓缩二氧化碳的羧基体组装,提高了RubisCO关键酶的效率。 

  RubisCO酶由16个蛋白质亚基组成,对光合作用至关重要。它们从光中获取能量,将二氧化碳整合到有机分子中,植物从有机分子中生成新的糖。然而,这个过程转换效率并不是很高。这种酶是在一个富含二氧化碳缺少氧气的环境中进化而来,然而该酶在区分这两种气体时并不敏感, RubisCO经常意外地捕获氧气,产生一种无用的化合物,工厂必须投入额外的能量来将其回收。与植物相比,蓝细菌很少犯这样的错误。这是因为蓝细菌将RubisCO酶聚集在一个称为羧基体(carboxysomes)的致密体中。蓝细菌将碳酸氢盐泵入细胞,碳酸氢盐一旦进入了羧基体,就会被转化成二氧化碳,二氧化碳被羧基体周围致密的蛋白壳锁住,浓度升高,因此避免RubisCO的无用做功。

  羧基体有一个非常复杂的结构,其特殊之处在于自我组装。研究者发现一种叫做CcmM的蛋白质将RubisCO酶聚合成新的羧基体。已知CcmM的一部分形似于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。该领域的大多数学者认为CcmM通过夺取RubisCO亚基的位点而与酶结合。但是此次研究中,研究者使用生物物理技术观察蛋白质的结构和结合过程,证明这种猜想是错误的。虽然CcmM的形状与RubisCO小亚基相似,但CcmM形成的复合物仍包括所有8个小亚基,这意味着CcmM不是从RubisCO亚基中夺取了一个位点,而是必须绑定在其他部位。研究者还发现CcmM中结合区域之间的链接器很短,使其像绳子串珠子一样将单个酶串在一起。几个这样的链接器随机地连接每个RubisCO,将所有结构连接成巨大的水珠,外层包裹一个壳,就形成了一个羧基体。

  2017年,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,然而这些植物生长得并不好。作者认为他们可能忽视了羧基体某些重要的组成部分,使得羧基体不能发挥作用,对植物造成了拖累而不是帮助。研究CcmM蛋白是如何参与羧基体的构建和功能,可以帮助生物工程师在下一代工程植物中利用羧基体提高光合效率。

 

编辑:规划战略与信息中心 图书馆

信息来源:https://mp.weixin.qq.com/s/rPneQTyXMs1dEl0VzDD7DQ

 

 
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