[科研前线│Cell│氧电极]硅藻蛋白核被蛋白质外壳包裹从而高效固定CO2

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近日，日本关西学院大学（Kwansei Gakuin University）生物与环境科学学院生物科学系Yusuke Matsuda课题组联合瑞士巴塞尔大学生物中心（The University of Basel’s Biozentrum）Benjamin D. Engel等多家研究机构，在Cell上发表了题为“Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO₂ fixation”的研究性论文，该研究首次发现了第3种藻类蛋白核类型——具鞘蛋白核（PyShell），并分析了硅藻蛋白核PyShell的结构和功能，阐述了它在Rubisco有效催化CO?固定中的贡献，为研究海洋生态系统中CO?的同化途径提供了重要参考。 

图1 硅藻细胞蛋白核PyShell蛋白示意图

研究团队进行了硅藻PyShell蛋白的鉴定及定位，并解析了硅藻细胞中PyShell蛋白的分子结构。此外，研究人员还利用冷冻电子断层扫描技术详细观察了硅藻内部的微细结构。 

通过基因组编辑技术破坏硅藻的PyShell基因后，这些基因被破坏的硅藻在空气环境的生长速度显著变慢，光合作用效率显著降低，仅为野生菌株的1/80（图5）。在向反应体系中逐步加入NaHCO₃的过程中，通过液相氧电极（Hansatech，King's Lynn，U.K.）和气相色谱火焰离子化检测器同时测量硅藻（WT、m1和m2）样品混合物中净O?的释放速率和DIC的总浓度。根据O?释放速率与DIC浓度的关系曲线计算光合作用参数：Pmax，最大净O?释放速率；K0.5，Pmax的一半时DIC浓度；[DIC]comp，无净O?释放时DIC浓度；APC，表观光合传导率（表1）。 

图5 T. pseudonana PyShell突变体的表型和光合参数

进一步观察PyShell基因被破坏的硅藻二级叶绿体，发现正常的蛋白核结构无法形成，蛋白核周围的片状结构消失，蛋白核结构崩解并破碎。这表明由PyShell形成的正常蛋白核结构对Rubisco的CO?供应至关重要（图6）。