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两篇Cell揭示藻类如何从空气中吸收二氧化碳,有助解决全球粮食危机

来源:本站原创 2017-09-24 13:30


图片来自Benjamin Engel/Max Planck Institute of Biochemistry。

2017年9月24日/生物谷BIOON/---两项关于绿藻的新研究揭示了这些有机体如何从空气中吸入二氧化碳用于光合作用(这也是它们能够非常快速地生长的一种关键因素)的新认识。理解这一过程可能有朝一日有助人们提高小麦和水稻等作物的生长速度。

在这两项发表在Cell期刊上的研究中,研究人员首次报道了藻类用来收集和浓缩二氧化碳的二氧化碳浓缩机制(CO2-concentrating mechanism, CCM)的详细目录。二氧化碳浓缩机制位于被称作蛋白核(pyrenoid)的细胞器中。他们也发现当藻类细胞分裂时,长期被认为是固体结构的pyrenoid实际上像液滴一样能够溶解到周围的细胞基质中。

这两项研究的领导者、美国普林斯顿大学分子生物学助理教授Martin Jonikas说,“理解藻类如何能够浓缩二氧化碳是实现改善其他植物中的光合作用的关键一步。如果我们能够设计出其他的作物来浓缩碳,那么我们可能解决全世界不断增长的粮食需求。”

水生藻类和少数其他的植物已产生提高光合作用速率的二氧化碳浓缩机制。植物利用光合作用将二氧化碳和阳光转化为生长所需的糖分子。所有植物利用一种被称作核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)的酶将二氧化碳“固定”到能够被植物使用或储存的糖分子中。

相对于很多陆地植物,藻类具有优势,这是因为它们在pyrenoid内聚集着Rubisco酶,在那里,这些酶会遇到从空气中吸收到的高浓度的二氧化碳。有更多的二氧化碳在周围允许Rubisco酶更快地工作。

在第一项新的研究中,来自美国卡内基科学研究所、斯坦福大学、加州大学旧金山分校和普林斯顿大学的研究人员对参与一种被称作莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)的单细胞藻类中的二氧化碳浓缩机制的蛋白进行广泛地搜索。利用他们开发的用来快速地标记和评估藻类蛋白的技术,他们鉴定出每种蛋白的位置和功能,详细地描述了这些蛋白之间的物理相互作用,从而构建出蛋白核“相互作用组(interactome)”。相关研究结果发表在2017年9月21日的Cell期刊上,论文标题为“A Spatial Interactome Reveals the Protein Organization of the Algal CO2-Concentrating Mechanism”。

这一搜索揭示出89种新的pyrenoid蛋白,包括这些研究人员认为将二氧化碳导入到pyrenoid中的蛋白和pyrenoid形成所必需的其他蛋白。他们也鉴定出像洋葱那样包围着细胞器pyrenoid的三种之前不为人所知的层状结构。论文第一作者Luke Mackinder博士说,“这些信息代表着迄今为止对这种至关重要的二氧化碳浓缩机制是如何组装的最好评估,并且为探索它的工作方式提供了新的途径。”

在第二项新的研究中,来自美国卡内基科学研究所、斯坦福大学、普林斯顿大学和德国马克斯普朗克生物化学研究所的研究人员报道长期被认为是固体结构的pyrenoid实际上是液体状的。在之前的研究中使用的技术需要人们在进行成像之前杀死和化学保护莱茵衣藻。在这项新的研究中,这些研究人员利用黄色荧光蛋白对Rubisco酶进行标记,能够对活的莱茵衣藻进行成像。相关研究结果发表在2017年9月21日的Cell期刊上,论文标题为“The Eukaryotic CO2-Concentrating Organelle Is Liquid-like and Exhibits Dynamic Reorganization”。

在观察莱茵衣藻时,Mackinder和当时为卡内基科学研究所研究生的Elizabeth Freeman Rosenzweig利用一种高能激光摧毁了一半pyrenoid中的这种荧光标记,而让另外一半pyrenoid中的这种荧光标记保持完整。在几分钟内,这种荧光被重新分配到整个pyrenoid中,这就表明这些Rubisco酶正如它们在液体中那样很容易移动。

马克斯普朗克生物化学研究所博士后研究员Benjamin Engel博士利用另一种被称作冷冻电子断层扫描(cryo-electron tomography)的成像技术进一步探究了这一发现。他冻存并制备了完整的藻类细胞,随后利用电子显微镜对它们进行成像。这种电子显微镜是如此灵敏以至于它能够解析出单个分子的结构。

这种技术使得Engel能够在纳米分辨率下三维地可视化观察pyrenoid。通过将获得的pyrenoid图片与液体系统的那些图片进行比较,这些研究人员证实pyrenoid像液体那样进行组装。Engel说,“这项研究罕见地将经典遗传学方法、细胞生物学方法和高分辨率成像技术结合在一起。”

这一研究使得这些研究人员想要知道当这种单细胞藻类通过细胞分裂产生两个子细胞时,pyrenoid如何被传递到下一代。Freeman Rosenzweig注意到pyrenoid有时不能够分裂,从而让一个子细胞不存在pyrenoid。

利用这种黄色荧光蛋白,这些研究人员观察到没有接受到一半pyrenoid的子细胞事实上仍然能够自动地形成pyrenoid。他们发现每个子细胞接受到一定数量的以可溶性的状态存在的pyrenoid,而且这些几乎不能够检测到的组分能够浓缩成成熟的pyrenoid。

Jonikas说,“我们认为在细胞分裂之前的pyrenoid溶解和细胞分裂之后的浓缩可能一种冗余机制以确保两个子细胞都获得pyrenoid。这样一来,两个子细胞将具有这种关键的对碳吸收至关重要的细胞器。”

为了进一步探究这是如何发生的,Jonikas与普林斯顿大学生命科学与分子生物学教授Ned Wingreen合作开展研究。Wingreen和他的团队对Rubisco酶与另一种被称作EPYC1的蛋白之间的相互作用进行了计算机模拟。Mackinder和Jonikas团队的其他成员已发现EPYC1在pyrenoid中发挥着至关重要的作用:它像胶水一样将多个Rubisco酶粘在一起。

这种计算机模拟提示着pyrenoid的状态---无论是浓缩的液滴还是溶解到周围的区室中---取决于EPYC1表面上的结合位点数量。在这种模拟中,Rubisco酶具有8个结合位点,或者说EPYC1能够停靠在一个Rubisco酶上的8个地方。如果EPYC1有4个结合位点,那么两个EPYC1恰好填满了一个Rubisco的所有停靠点,反之亦然。鉴于这些充分结合的Rubisco-EPYC1复合物较小,它们形成一种可溶性状态。但是,如果EPYC1具有3或5个结合位点,那么它不能够填充一个Rubisco酶上的所有停靠位点。结果就是一堆Rubisco和EPYC1形成液滴。

这种pyrenoid系统的相位变化取决于EPYC1与Rubisco结合位点的比例,这被认为是一种“魔术数字(magic number)”效应。这一术语通常在物理学中被用来描述特定数量的粒子形成一种非常稳定的状态所需的条件。Wingreen说,“这些魔术数字除了在pyrenoid系统中发挥着重要作用之外,可能也在高分子物理学领域和潜在地在合成生物学领域发挥着作用。”

Jonikas和Wingreen正在继续开展他们的合作研究,并且希望在理论上探究Rubisco酶和EPYC1的不同灵活性和构象,以及在实验上将这两种蛋白都放入到试管中,操纵它们的结合位点数量,以便进一步推进这个项目。

Jonikas说,“以前的想法是它们具有更多的结合位点,这些蛋白就越倾向于聚集在一起。这种存在魔术数字效应的发现不仅对pyrenoid比较重要,而且可能对自然界中发现的许多其他类似液体的细胞器也很重要。”

通过开展更多的研究,这些发现可能对确保不断扩大的世界人口获得快速增长的作物产生重要的新见解。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Luke C.M. Mackinder, Chris Chen, Ryan D. Leib et al. A Spatial Interactome Reveals the Protein Organization of the Algal CO2-Concentrating Mechanism. Cell, 21 September 2017, 171(1):133–147, doi:10.1016/j.cell.2017.08.044

2.Elizabeth S. Freeman Rosenzweig, Bin Xu, Luis Kuhn Cuellar et al. The Eukaryotic CO2-Concentrating Organelle Is Liquid-like and Exhibits Dynamic Reorganization. Cell, 21 September 2017, 171(1):148–162, doi:10.1016/j.cell.2017.08.008

3.Study provides insights into how algae siphon carbon dioxide from the air

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