Wetenschap
Onderzoekers werpen nieuw licht op carboxysomen in een belangrijke ontdekking die de fotosynthese zou kunnen stimuleren
Carboxysomen zijn kleine compartimenten in bepaalde bacteriën en algen die bepaalde enzymen omhullen in een omhulsel van eiwitten. Ze voeren koolstoffixatie uit, het proces waarbij koolstofdioxide uit de atmosfeer wordt omgezet in organische verbindingen die door de cel kunnen worden gebruikt voor groei en energie. Wetenschappers hebben geprobeerd uit te vinden hoe deze compartimenten in elkaar zitten.
In hun laatste onderzoek heeft het team onder leiding van prof. Zeng Qinglu, universitair hoofddocent bij de afdeling Ocean Science van HKUST, de algemene architectuur aangetoond van carboxysomen die zijn gezuiverd uit een type bacterie genaamd Prochlorococcus.
In samenwerking met prof. Zhou Cong-Zhao van de School of Life Sciences van de University of Science &Technology van China overwon het team een van de grootste technische problemen op het gebied van celbreuk en -contaminatie, die de juiste zuivering van carboxysomen in de weg zou staan. Het team stelt ook een compleet assemblagemodel van α-carboxysoom voor, dat nog niet in eerdere onderzoeken is waargenomen.
Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Plants .
Het team maakte specifiek gebruik van cryo-elektronenmicroscopie met één deeltje om de structuur van het α-carboxysoom te bepalen en het assemblagepatroon van de eiwitomhulling te karakteriseren, die eruitziet als een 20-zijdige vorm met specifieke eiwitten op het oppervlak. Om de structuur van het minimale α-carboxysoom met een diameter van 86 nm te verkrijgen, verzamelden ze meer dan 23.400 beelden genomen met de microscoop in het HKUST Biological Cryo-EM Center en selecteerden ze handmatig ongeveer 32.000 intacte α-carboxysoomdeeltjes voor analyse.
Binnenin zijn de RuBisCO-enzymen gerangschikt in drie concentrische lagen, en het onderzoeksteam ontdekte ook dat een eiwit genaamd CsoS2 helpt alles bij elkaar te houden in de schaal. Ten slotte suggereren de bevindingen dat carboxysomen van buiten naar binnen worden samengesteld. Dit betekent dat het binnenoppervlak van de schaal wordt versterkt door bepaalde delen van het CsoS2-eiwit, terwijl andere delen van het eiwit de RuBisCO-enzymen aantrekken en deze in lagen organiseren.
Een van de meest veelbelovende toepassingen van carboxysoom is de synthetische biologie van planten, waarbij de introductie van carboxysoom in de chloroplasten van planten als CO2 -concentratiemechanisme kan de fotosynthese-efficiëntie en gewasopbrengst verbeteren.
"Onze studie onthult het mysterie van de assemblage van α-carboxysomen uit Prochlorococcus en biedt zo nieuwe inzichten in de mondiale koolstofcyclus", zegt prof. Zeng.
De bevindingen zullen ook belangrijk zijn om de opwarming van de aarde te vertragen, legt hij uit, aangezien mariene cyanobacteriën 25% van de mondiale CO2 vastleggen. . "Ons begrip van de CO2 Het fixatiemechanisme van mariene cyanobacteriën zal ons in staat stellen hun CO2 te verbeteren fixatiesnelheid zodat meer CO2 kan uit de atmosfeer worden verwijderd”, zegt hij.
Na deze studie is het team van plan om Prochlorococcus α-carboxysoom in plantenchloroplasten te introduceren en te onderzoeken of het minimale α-carboxysoom de fotosynthese-efficiëntie in planten kan verbeteren. Ze zijn ook van plan de carboxysoomgenen te modificeren en genetisch gemodificeerde supercyanobacteriën te maken die in staat zijn koolstofdioxide in zeer hoge mate vast te leggen, wat de opwarming van de aarde mogelijk zou kunnen vertragen.