两篇Cell论文揭示硅藻高效固定二氧化碳的机制

海洋中微小的硅藻（diatom）是从环境中捕捉二氧化碳的高手。它们能固定地球上多达 20% 的二氧化碳。如今，来自瑞士巴塞尔大学、约克大学和关西学院大学的研究人员在硅藻中发现了一种高效固定二氧化碳所必需的蛋白外壳。这一突破性发现可以为减少大气中二氧化碳的生物工程方法提供思路。

硅藻太小，肉眼无法看到，但它们却是海洋中产量最高的藻类之一，在全球碳循环中发挥着重要作用。它们利用光合作用从环境中吸收大量二氧化碳，并将其转化为养分，为海洋中的许多生物提供食物。尽管硅藻非常重要，但人们在很大程度上仍然不知道它们是如何如此高效地完成这一过程的。

巴塞尔大学生物中心的Ben Engel教授领导的一个研究团队与来自约克大学和关西学院大学的研究人员一起，发现了一种在硅藻固定二氧化碳过程中起关键作用的蛋白外壳。他们利用低温电子断层扫描（cryo-ET）等前沿成像技术，揭示了所谓的PyShell蛋白外壳的分子结构，并破译了它的功能。

相关研究结果以两篇论文的形式发表在2024年10月17日的Cell期刊上，论文标题分别为“Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO2 fixation”和“A protein blueprint of the diatom CO2-fixing organelle”。

PyShell对二氧化碳的高效固定至关重要

在植物和藻类中，光合作用是在叶绿体中进行的。在这些叶绿体中，类囊体膜（thylakoid membrane）从太阳光中获取能量，然后用于帮助 Rubisco 酶固定二氧化碳。

然而，藻类有一个优势：它们把所有的Rubisco都装在一个叫做淀粉核（pyrenoids）的小区室里，这样可以更有效地捕捉二氧化碳。

Manon Demulder 博士说，“我们如今发现，硅藻的淀粉核被包裹在一种格子状的蛋白外壳中。PyShell不仅赋予了淀粉核的形状，而且还有助于在这个区室形成高浓度的二氧化碳。这使得 Rubisco 能够有效地固定海洋中的二氧化碳，并将其转化为养分。”

当作者将 PyShell 从硅藻中移除时，它们固定二氧化碳的能力明显受损。光合作用和细胞生长也随之减弱。Demulder说，“这向我们展示了PyShell对高效碳捕获的重要性，碳捕获过程对海洋生物和全球气候至关重要。”

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.09.013

减少二氧化碳的生物工程？

PyShell 的发现也可能为旨在应对气候变化，当代最紧迫的挑战之一的生物技术研究开辟了前景广阔的道路。Engel 说，“首先，我们人类必须减少二氧化碳排放，以减缓气候变化的速度。这需要立即采取行动。”

“我们如今排放的二氧化碳将在大气中存留数千年。我们希望像 PyShell 这样的发现能够帮助激发新的生物技术应用，从而改善光合作用并从大气中捕获更多的二氧化碳。这些都是长期目标，但考虑到二氧化碳排放的不可逆转性，我们如今就必须开展基础研究，为未来的碳捕集创新创造更多机会。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Ginga Shimakawa et al. Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO2 fixation. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.09.013.

Onyou Nam et al. A protein blueprint of the diatom CO2-fixing organelle. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.09.025.