兩篇Cell揭示藻類如何從空氣中吸收二氧化碳,有助解決全球糧食危機

轉化醫學生物谷2017-09-26 19:28:14


圖片來自Benjamin Engel/Max Planck Institute of Biochemistry。


兩項關於綠藻的新研究揭示了這些有機體如何從空氣中吸入二氧化碳用於光合作用(這也是它們非常快速地生長的一種關鍵因素)的新認識。理解這一過程可能有朝一日有助人們提高小麥和水稻等作物的生長速度。

在這兩項發表在Cell期刊上的研究中,研究人員首次報道了藻類用來收集和濃縮二氧化碳的(CO2-concentrating mechanism, CCM)的詳細目錄。二氧化碳濃縮機制位於被稱作蛋白核(pyrenoid)的細胞器中。他們也發現當藻類細胞分裂時,長期被認為是固體結構的pyrenoid實際上像液滴一樣能夠溶解到周圍的細胞基質中。

這兩項研究的領導者、美國普林斯頓大學分子生物學助理教授Martin Jonikas說,“理解藻類如何能夠濃縮二氧化碳是實現改善其他植物中的光合作用的關鍵一步。如果我們能夠設計出其他的作物來濃縮碳,那麼我們可能解決全世界不斷增長的糧食需求。”

水生藻類和少數其他的植物已產生提高光合作用速率的二氧化碳濃縮機制。植物利用光合作用將二氧化碳和陽光轉化為生長所需的糖分子。所有植物利用一種被稱作核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)的酶將二氧化碳“固定”到能夠被植物使用或儲存的糖分子中。

相對於很多陸地植物,藻類具有優勢,這是因為它們在pyrenoid內聚集著Rubisco酶,在那裡,這些酶會遇到從空氣中吸收到的高濃度的二氧化碳。有更多的二氧化碳在周圍允許Rubisco酶更快地工作。

在第一項新的研究中,來自美國卡內基科學研究所、斯坦福大學、加州大學舊金山分校和普林斯頓大學的研究人員對參與一種被稱作(Chlamydomonas reinhardtii)的單細胞藻類中的二氧化碳濃縮機制的蛋白進行廣泛地搜索。利用他們開發的用來快速地標記和評估藻類蛋白的技術,他們鑑定出每種蛋白的位置和功能,詳細地描述了這些蛋白之間的物理相互作用,從而構建出蛋白核“相互作用組(interactome)”。相關研究結果發表在2017年9月21日的Cell期刊上,論文標題為“A Spatial Interactome Reveals the Protein Organization of the Algal CO2-Concentrating Mechanism”。

這一搜索揭示出89種新的pyrenoid蛋白,包括這些研究人員認為將二氧化碳導入到pyrenoid中的蛋白和pyrenoid形成所必需的其他蛋白。他們也鑑定出像洋蔥那樣包圍著細胞器pyrenoid的三種之前不為人所知的層狀結構。論文第一作者Luke Mackinder博士說,“這些信息代表著迄今為止對這種至關重要的二氧化碳濃縮機制是如何組裝的最好評估,並且為探索它的工作方式提供了新的途徑。”

在第二項新的研究中,來自美國卡內基科學研究所、斯坦福大學、普林斯頓大學和德國馬克斯普朗克生物化學研究所的研究人員報道長期被認為是固體結構的pyrenoid實際上是液體狀的。在之前的研究中使用的技術需要人們在進行成像之前殺死和化學保護萊茵衣藻。在這項新的研究中,這些研究人員利用黃色熒光蛋白對Rubisco酶進行標記,能夠對活的萊茵衣藻進行成像。相關研究結果發表在2017年9月21日的Cell期刊上,論文標題為“The Eukaryotic CO2-Concentrating Organelle Is Liquid-like and Exhibits Dynamic Reorganization”。

在觀察萊茵衣藻時,Mackinder和當時為卡內基科學研究所研究生的Elizabeth Freeman Rosenzweig利用一種高能激光摧毀了一半pyrenoid中的這種熒光標記,而讓另外一半pyrenoid中的這種熒光標記保持完整。在幾分鐘內,這種熒光被重新分配到整個pyrenoid中,這就表明這些Rubisco酶正如它們在液體中那樣很容易移動。

馬克斯普朗克生物化學研究所博士後研究員Benjamin Engel博士利用另一種被稱作冷凍電子斷層掃描(cryo-electron tomography)的成像技術進一步探究了這一發現。他凍存並製備了完整的藻類細胞,隨後利用電子顯微鏡對它們進行成像。這種電子顯微鏡是如此靈敏以至於它能夠解析出單個分子的結構。

這種技術使得Engel能夠在納米分辨率下三維地可視化觀察pyrenoid。通過將獲得的pyrenoid圖片與液體系統的那些圖片進行比較,這些研究人員證實pyrenoid像液體那樣進行組裝。Engel說,“這項研究罕見地將經典遺傳學方法、細胞生物學方法和高分辨率成像技術結合在一起。”

這一研究使得這些研究人員想要知道當這種單細胞藻類通過細胞分裂產生兩個時,pyrenoid如何被傳遞到下一代。Freeman Rosenzweig注意到pyrenoid有時不能夠分裂,從而讓一個子細胞不存在pyrenoid。 

利用這種黃色熒光蛋白,這些研究人員觀察到沒有接受到一半pyrenoid的子細胞事實上仍然能夠自動地形成pyrenoid。他們發現每個子細胞接受到一定數量的以可溶性的狀態存在的pyrenoid,而且這些幾乎不能夠檢測到的組分能夠濃縮成成熟的pyrenoid。

Jonikas說,“我們認為在細胞分裂之前的pyrenoid溶解和細胞分裂之後的濃縮可能一種冗餘機制以確保兩個子細胞都獲得pyrenoid。這樣一來,兩個子細胞將具有這種關鍵的對碳吸收至關重要的細胞器。”

為了進一步探究這是如何發生的,Jonikas與普林斯頓大學生命科學與分子生物學教授Ned Wingreen合作開展研究。Wingreen和他的團隊對Rubisco酶與另一種被稱作EPYC1的蛋白之間的相互作用進行了計算機模擬。Mackinder和Jonikas團隊的其他成員已發現EPYC1在pyrenoid中發揮著至關重要的作用:它像膠水一樣將多個Rubisco酶粘在一起。

這種計算機模擬提示著pyrenoid的狀態---無論是濃縮的液滴還是溶解到周圍的區室中---取決於EPYC1表面上的結合位點數量。在這種模擬中,Rubisco酶具有8個結合位點,或者說EPYC1能夠停靠在一個Rubisco酶上的8個地方。如果EPYC1有4個結合位點,那麼兩個EPYC1恰好填滿了一個Rubisco的所有停靠點,反之亦然。鑑於這些充分結合的Rubisco-EPYC1複合物較小,它們形成一種可溶性狀態。但是,如果EPYC1具有3或5個結合位點,那麼它不能夠填充一個Rubisco酶上的所有停靠位點。結果就是一堆Rubisco和EPYC1形成液滴。

這種pyrenoid系統的相位變化取決於EPYC1與Rubisco結合位點的比例,這被認為是一種“魔術數字(magic number)”效應。這一術語通常在物理學中被用來描述特定數量的粒子形成一種非常穩定的狀態所需的條件。Wingreen說,“這些魔術數字除了在pyrenoid系統中發揮著重要作用之外,可能也在高分子物理學領域和潛在地在合成生物學領域發揮著作用。”

Jonikas和Wingreen正在繼續開展他們的合作研究,並且希望在理論上探究Rubisco酶和EPYC1的不同靈活性和構象,以及在實驗上將這兩種蛋白都放入到試管中,操縱它們的結合位點數量,以便進一步推進這個項目。

Jonikas說,“以前的想法是它們具有更多的結合位點,這些蛋白就越傾向於聚集在一起。這種存在魔術數字效應的發現不僅對pyrenoid比較重要,而且可能對自然界中發現的許多其他類似液體的細胞器也很重要。” 

通過開展更多的研究,這些發現可能對確保不斷擴大的世界人口獲得快速增長的作物產生重要的新見解。



參考資料:

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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