一个神秘的细胞器，分别在Nature子刊和Science子刊同时发表

　　

碳是地球上生命的主要组成部分之一。它在我们星球的大气中含量丰富，以二氧化碳的形式。碳主要通过光合作用进入地球人的身体，光合作用将二氧化碳转化为糖，糖是重要生物分子的组成部分，并为全球食物链提供燃料。全球大约三分之一的这一过程是由生活在海洋中的单细胞藻类完成的（其余大部分由植物完成）。

第一步将二氧化碳同化成糖的酶是一种称为Rubisco的庞大蛋白质，由八个相同的小亚基和八个相同的大亚基对称排列在一起。这个被称为全酶的组装体的所有部分需要协同工作来执行Rubisco的酶功能。Rubisco的活动率，以及植物和藻类的生长速度，都受到二氧化碳的限制。水中的游离二氧化碳可能很稀少，所以像莱茵衣藻这样的水生藻类有时很难让Rubisco保持在峰值容量。为了抵消这种情况，这些藻类进化出一种称为蛋白核的特殊结构，为Rubisco提供浓缩的二氧化碳。蛋白核是如此重要以至于地球上几乎所有的藻类都有。不同种类的藻类被认为是独立进化出这种结构的。

普林斯顿大学分子生物学系的助理教授Martin C. Jonikas解释说：“蛋白核的决定性特征是一种巨大的液体状凝结物的基质，这里几乎包含了细胞的所有Rubisco。”。

Rubisco是蛋白核基质的主要成分，但不是唯一一种；2016年，Jonikas的实验室在蛋白核中发现了另一种丰富的蛋白质EPYC1。在他们2016年的论文中，Jonikas的研究小组表明EPYC1与Rubisco结合，有助于Rubisco在蛋白核中的集中。研究人员推测，EPYC1就像一种分子胶，将Rubisco全酶连接在一起。之后他们开始验证这一理论。

“在目前的研究中，我们通过展示EPYC1对Rubisco有5个结合位点，使其能够‘连接’多个Rubisco全酶，从而证明了它确实是这样工作的，”Jonikas说。

EPYC1是一种结构松散、延伸的蛋白质，其5个Rubisco结合位点在其长度上均匀分布。研究人员还发现Rubisco有8个EPYC1结合位点，均匀分布在其球状表面。计算机模拟表明，结构松散、柔韧的EPYC1蛋白可以与单一Rubisco全酶进行多次接触，或将相邻的酶连接在一起。通过这种方式，EPYC1驱动Rubisco聚集在蛋白核矩阵中。

尽管这为矩阵的组装提供了一个令人满意的解释，但它还是带来了一些难题。当Rubisco发生故障时，其他蛋白质需要能够进入Rubisco进行修复。如果EPYC1 Rubisco网络是刚性的，它可以阻止这些蛋白质访问Rubisco。然而，他和同事发现，EPYC1与Rubisco的相互作用相当弱，因此尽管这两种蛋白质可能会彼此形成许多接触，但这些接触点交换得很快。

“这使得EPYC1和Rubisco能够在紧密堆积的冷凝物中流动，使得其他蛋白类蛋白也能进入Rubisco，”Jonikas说。“我们的工作解决了Rubisco如何在蛋白核基质中结合在一起的长期谜团。”

陆地植物不含蛋白核，科学家认为，在作物中植入一种类似于蛋白核的结构可以提高它们的生长速度。了解蛋白核是如何在藻类中组装的，是朝着这些努力迈出的重要一步。

“这项工作对试图将类蛋白结构引入植物以提高光合作用的研究人员来说是鼓舞人心的。”。

在一个被饥饿和疾病困扰的世界里，我们可以利用我们所能得到的一切来促进繁荣。

《Science》子刊：全球30%的二氧化碳是被这种细胞器处理掉的

原文检索：He, S., Chou, HT., Matthies, D. et al. The structural basis of Rubisco phase separation in the pyrenoid. Nat. Plants (2020). https://doi.org/10.1038/s41477-020-00811-y

（生物通：伍松）