科研前線│Cell│氧電極]硅藻蛋白核被蛋白質外殼包裹從而高效固定CO₂

　　Pyrenoid-蛋白核（造粉核、淀粉核），某些藻類植物載色體上的一種特殊結構，在綠藻中較常見。高等植物中除了角苔綱以外其他均沒有。一個蛋白質的核心部分，外圍以若干淀粉小塊，這是藻類植物蛋白質與淀粉的一種貯藏形態(tài)。之前，人們一直認為藻類蛋白核分為2種：1、具鞘蛋白核(有淀粉鞘)；2、裸蛋白核。

　　近日，日本關西學院大學（KwanseiGakuinUniversity）生物與環(huán)境科學學院生物科學系YusukeMatsuda課題組聯(lián)合瑞士巴塞爾大學生物中心（TheUniversityofBasel’sBiozentrum）BenjaminD.Engel等多家研究機構，在Cell上發(fā)表了題為“Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO₂fixation”的研究性論文，該研究首次發(fā)現(xiàn)了第3種藻類蛋白核類型——具鞘蛋白核（PyShell），并分析了硅藻蛋白核PyShell的結構和功能，闡述了它在Rubisco有效催化CO?固定中的貢獻，為研究海洋生態(tài)系統(tǒng)中CO?的同化途徑提供了重要參考。

圖1硅藻細胞蛋白核PyShell蛋白示意圖

　　蛋白核的中心部分穿透類木質膜，其膜腔中特異性存在碳酸酐酶（CA）。研究認為，CA能使硅藻通過從海水中吸收并儲存在葉綠體中的HCO₃^-快速轉化成CO?，為聚合在蛋白核中的Rubisco提供CO?（圖1）。然而，由于蛋白核難以分離，其成分和功能并不為人所熟知。

　　研究團隊進行了硅藻PyShell蛋白的鑒定及定位，并解析了硅藻細胞中PyShell蛋白的分子結構。此外，研究人員還利用冷凍電子斷層掃描技術詳細觀察了硅藻內部的微細結構。

圖2硅藻中PyShell蛋白的鑒定

圖3硅藻細胞中PyShell蛋白的原位冷凍電鏡斷層掃描圖像

圖4T.pseudonanaPyShell蛋白體外結構示意圖

　　通過基因組編輯技術破壞硅藻的PyShell基因后，這些基因被破壞的硅藻在空氣環(huán)境的生長速度顯著變慢，光合作用效率顯著降低，僅為野生菌株的1/80（圖5）。在向反應體系中逐步加入NaHCO₃的過程中，通過液相氧電極（Hansatech，King'sLynn，U.K.）和氣相色譜火焰離子化檢測器同時測量硅藻（WT、m1和m2）樣品混合物中凈O?的釋放速率和DIC的總濃度。根據O?釋放速率與DIC濃度的關系曲線計算光合作用參數：Pmax，最大凈O?釋放速率；K0.5，Pmax的一半時DIC濃度；[DIC]comp，無凈O?釋放時DIC濃度；APC，表觀光合傳導率（表1）。

圖5T.pseudonanaPyShell突變體的表型和光合參數

　　對細胞粗提取物進行蛋白免疫印跡，證明突變體中不存在TpPyShell1和2蛋白；B和C.野生型WT（灰色）、m1（橙色）和m2（黃色）在大氣CO?（LC；0.04%）和高濃度CO?（HC：1%）中的生長狀態(tài)；D.WT、m1和m2的光合活性對無機碳濃度的依賴性測定；E和F.WT、m1和m2細胞的FIB-SEM成像，葉綠體（綠色）、蛋白核Rubisco（藍色）；G-J.根據FIB-SEM數據對蛋白核進行形態(tài)定量分析；K-R.m1和m2細胞的Cryo-ET成像。

　　表1Pmax，最大凈O₂釋放速率；K0.5，Pmax的一半時DIC濃度；[DIC]comp，無凈O₂釋放時DIC濃度；APC，表觀光合傳導率。

　　進一步觀察PyShell基因被破壞的硅藻二級葉綠體，發(fā)現(xiàn)正常的蛋白核結構無法形成，蛋白核周圍的片狀結構消失，蛋白核結構崩解并破碎。這表明由PyShell形成的正常蛋白核結構對Rubisco的CO?供應至關重要（圖6）。

　　圖6 PyShell在組織硅藻pyrenoid結構中的作用

　　綜上所述，研究人員首次鑒定出包裹在硅藻pyrenoid周圍的蛋白質外殼結構——PyShell，并從多個尺度上詳細表征了PyShell晶格的精細構造。此外，研究人員通過對T.pseudonanaPyShell缺失突變體的深入功能分析，展示了PyShell在維持pyrenoid整體結構中的關鍵角色，使硅藻能夠在CO?濃度極低的環(huán)境中繼續(xù)生長并高效固定碳，從而支撐其在全球海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位。這一系列發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對硅藻碳同化機制的認識，還為未來開發(fā)利用硅藻進行碳捕獲與生物能源生產提供了新的可能。