Учёные раскрыли механизм сборки карбоксисом — ключевое открытие для повышения эффективности фотосинтеза

Исследовательская группа под руководством Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) выяснила, как работают карбоксисомы — структуры для фиксации углерода, обнаруженные у некоторых бактерий и водорослей. Это открытие может помочь учёным перепроектировать эти структуры, чтобы растения могли преобразовывать солнечный свет в большее количество энергии. Это открывает путь к повышению эффективности фотосинтеза, потенциальному увеличению мировых запасов продовольствия и смягчению глобального потепления.

Карбоксисомы — это крошечные компартменты в определённых бактериях и водорослях, которые заключают специфические ферменты в белковую оболочку. Они осуществляют фиксацию углерода — процесс преобразования диоксида углерода (CO₂) из атмосферы в органические соединения, которые клетка может использовать для роста и получения энергии.

В новом исследовании команда под руководством профессора Цзэн Цинлу из HKUST показала общую архитектуру карбоксисом, очищенных из бактерий Prochlorococcus. В сотрудничестве с профессором Чжоу Цун-Чжао команда преодолела серьёзные технические трудности, связанные с разрушением клеток и загрязнением, которые мешали правильной очистке карбоксисом. Учёные также предложили полную модель сборки α-карбоксисомы, которую ранее не наблюдали.

Исследование опубликовано в журнале Nature Plants.

Методы и ключевые открытия

• Команда использовала криоэлектронную микроскопию одиночных частиц для определения структуры α-карбоксисомы.
• Белковая оболочка имеет форму икосаэдра (20-гранника) с определёнными белками на поверхности.
• Для получения структуры минимальной α-карбоксисомы диаметром 86 нм было собрано более 23 400 изображений и вручную отобрано около 32 000 интактных частиц для анализа.
• Внутри ферменты RuBisCO расположены в трёх концентрических слоях.
• Белок CsoS2 удерживает всё содержимое внутри оболочки.
• Сборка карбоксисом происходит «извне внутрь»: внутренняя поверхность оболочки укрепляется частями белка CsoS2, а другие его части притягивают ферменты RuBisCO и организуют их в слои.

Значение и перспективы

Одно из наиболее многообещающих применений — синтетическая биология растений. Внедрение карбоксисом в хлоропласты растений в качестве механизма концентрирования CO₂ может повысить эффективность фотосинтеза и урожайность.

«Наше исследование раскрывает тайну сборки α-карбоксисомы из Prochlorococcus, предоставляя новые данные о глобальном углеродном цикле», — говорит профессор Цзэн.

Открытие также важно для замедления глобального потепления, поскольку морские цианобактерии фиксируют 25% глобального CO₂.

«Понимание механизма фиксации CO₂ морскими цианобактериями позволит нам повысить их скорость фиксации, чтобы удалять из атмосферы больше CO₂», — объясняет он.

Дальнейшие планы

1. Внедрить α-карбоксисому Prochlorococcus в хлоропласты растений и исследовать, может ли она повысить эффективность фотосинтеза.
2. Модифицировать гены карбоксисом и создать генетически модифицированные «супер-цианобактерии», способные фиксировать CO₂ с очень высокой скоростью, что потенциально может замедлить глобальное потепление.