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Science:首次从结构上揭示细菌细胞器如何组装

来源:本站原创 2017-06-27 21:29


来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和密歇根州立大学的研究人员首次获得原子水平的完整细菌微区室结构图。图片来自Markus Sutter/Berkeley Lab and MSU。

2017年6月27日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和密歇根州立大学等研究机构的研究人员提供有史以来一种完整的被称作细菌微区室(bacterial microcompartments, BMC)的细胞器的最为清晰的图片,从而揭示出这种细胞器的蛋白外壳(protein shell)在原子水平分辨率下的结构和组装过程。他们研究的这种细胞器的蛋白外壳来自一种生活在海洋中的粘细菌,即赭黄嗜盐囊菌(Haliangium ochraceum)。这种完整的细菌细胞器蛋白外壳的结构图有助提供用于抵抗致病菌或出于有益目的对细菌细胞器进行生物改造的重要信息。相关研究结果发表在2017年6月23日的Science期刊上,论文标题为“Assembly principles and structure of a 6.5-MDa bacterial microcompartment shell”。

这些细菌微区室的共同结构特点是位于这种微区室中心的酶被一种选择性通透蛋白外壳包裹着。一些突出的例子包括用于二氧化碳固定的羧酶体(carboxysome)和在很多致病性细菌中发现的分解代谢微区室。

论文通信作者、劳伦斯伯克利国家实验室结构生物学家Cheryl Kerfeld注意到,这些细胞器被一些细菌用来固定二氧化碳。理解这种微区室的蛋白外壳是如何组装的,以及它如何让一些化合物通过同时阻挡其他的化合物,可能有助开展改善碳固定---更宽泛的说,生物能源---的研究。这类细胞器也有助很多致病性细菌代谢正常的非致病性细菌不能够代谢的化合物,从而让它们具有一种竞争优势。

这些研究人员注意到,这些细胞器的内含物决定着它们的特定功能,但是细菌微区室的蛋白外壳整体结构基本上都是一样的。这种微区室蛋白外壳提供一种选择性通透屏障,从而将在它的内部发生的反应与细胞的其余部分分隔开。这能够让多步骤反应更加高效地发生,阻止不想要的干扰,并且对这些密封的反应可能产生的有毒化合物进行限制。

不同于真核细胞的质膜,细菌微区室具有由蛋白组成的多面体壳。

论文第一作者、密歇根州立大学高级研究助理、劳伦斯伯克利国家实验室分子生物物理学与整合成像部门科学家Markus Sutter说,“对质膜而言,存在膜蛋白让分子通过。对细菌微区室而言,这种多面体壳是由蛋白组成的,因此细菌微区室的壳蛋白不仅具有结构上的作用,而且它们也负责底物选择性通过这种蛋白外壳。”

早期的研究已揭示出组成这种细菌微区室蛋白外壳的单个组分,但是对整个细胞器进行成像是充满挑战的,这是因为它具有较大的大约6.5兆道尔顿(MDa)的分子量。

这些研究人员能够展示5种不同的蛋白如何形成三种不同的形状:六边形、五边形和一对堆叠在一起的六边形,它们一起组装成一种二十面体外壳。

这些研究人员说,通过利用这篇论文中的结构数据,科学家们能够设计实验来研究分子如何通过这种蛋白外壳的机制,以及构建定制的细胞器用于碳捕获,或者制造有价值的化合物。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Markus Sutter, Basil Greber, Clement Aussignargues et al. Assembly principles and structure of a 6.5-MDa bacterial microcompartment shell. Science, 23 Jun 2017, 356(6344):1293-1297, doi:10.1126/science.aan3289

2.Study sheds light on how bacterial organelles assemble

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