关西学院大学生命环境学部的松田裕介教授、岛川银河助教（研究时，现任职神户大学）、辻敬典助教（现为专职讲师）、大阪大学蛋白质研究所的栗栖源嗣教授、川本晃大助教、Christoph Gerle特任副教授（现任职日本理化学研究所）等，与巴塞尔大学（瑞士）、格勒诺布尔大学（法国）等合作发表研究成果称，发现了一种使海洋硅藻类能够进行高效光合反应的新型蛋白质，并利用基因组编辑和冷冻电子显微镜技术，明确了其高效固定二氧化碳的分子机制。相关研究成果已于10月2日发表在《Cell》上。
图1.管状聚合PyShell的密度图（左）和以2.4Å分辨率解析的最小单元结构正视图、侧视图和后视图（右）。（供图：关西学院大学）
硅藻拥有的二级叶绿体结构与陆生植物的有很大不同，固定CO₂的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）松散地聚集在硅藻的叶绿体中心，形成名为蛋白核（Pyrenoid）的结构。叶绿体起源于蓝藻的共生体，被称为一级叶绿体，而由带有一级叶绿体的绿藻或红藻与其他生物共生获得的叶绿体则为二级叶绿体。硅藻具有源于红藻的二级叶绿体。
蛋白核的中心部分穿透类木质膜，其膜腔中特异性存在碳酸酐酶（CA）。研究认为，CA能使硅藻通过从海水中吸收并储存在叶绿体中的重碳酸氢根离子快速转化成CO₂，为聚合在蛋白核中的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶提供CO₂。然而，由于蛋白核难以分离，其成分和功能并不为人所熟知。
此次研究团队使用了可通过紫外线照射与细胞中相互作用的蛋白质形成共价键合的特殊氨基酸。这种方法被纳入硅藻蛋白质合成系统，用于探索能与核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶结合的新型蛋白质。
通过上述研究发现了一种新型蛋白质。分析发现这种蛋白质存在于二级叶绿体中蛋白核的边缘，因此被命名为PyShell（Pyrenoid Shell）。
之后，研究团队利用基因重组技术制备了PyShell的样本，并通过最新的冷冻电子显微镜对其结构进行了解析。
研究发现，PyShell可在试管内自我聚合。对该聚合物的低温电子显微镜分析表明，它具有周期性的管状或片状结构。研究人员成功确定了其三维结构，并发现突出的C末端将PyShell分子连接起来，形成管状或片状结构。
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。在叶绿体中的蛋白核周围发现了与可在试管内自聚的PyShell相同的结构。
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。
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核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶的CO₂供应至关重要。
PyShell广泛存在于硅藻等作为海洋初级生产关键角色的二级共生藻类中。本次研究还通过将该基因序列与海洋元转录组数据库进行比对，证实该基因在全球海洋中均有表达。该基因被视为海洋初级生产的基础。
松田教授表示：“我们认为PyShell是揭开海洋叶绿体之谜的一个非常重要的因素。我们最初的想法是在不破坏蛋白核的情况下，提取并深入了解其内部成分的更多信息。尽管这一研究历经较长时间才得以实现，但新技术的出现以及国内和国际合作研究为我们提供了巨大的支持。另一方面，这次发现的结果仅仅是个开始。我们希望以此为突破口，进一步探索海洋光合作用的本质”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Cell
论文：Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO2 fixation
DOI：10.1016/j.cell.2024.09.013
