综述：理解羧酶体以增强作物碳固定

这篇综述系统阐述了羧酶体（carboxysome）在增强光合碳固定中的关键作用，探讨了其模块化自组装特性、Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）封装机制及与HCO3-转运蛋白协同移植至植物叶绿体的合成生物学策略，为提升C3作物光合效率提供了新思路。

　　

引言

羧酶体是细菌微区室（BMC），为蓝藻和化能自养细菌碳固定的核心结构。这些微区室封装Rubisco和碳酸酐酶（CA），形成高CO₂环境以促进光合作用。其模块化特性使其成为合成生物学热点，尤其在移植至植物叶绿体以提升光合效率的应用中。

Rubisco结构与功能的最新进展

Rubisco是植物中含量最丰富的蛋白质，但其催化效率受限于对CO₂/O₂的低特异性。蓝藻通过羧酶体封装Rubisco，使其在进化中形成高催化周转率但低CO₂亲和力的特性。近期研究通过机器学习和大规模酶动力学分析，揭示了Rubisco结构与功能的关联，为工程化改造提供了基础。

羧酶体组装：从Rubisco凝聚体到功能微区室

羧酶体分为α和β两种类型，分别封装Form IA和IB Rubisco。其组装过程涉及Rubisco与结合蛋白（如β型的CcmM或α型的CsoS2）的相分离，形成动态凝聚体，随后被壳蛋白包裹。α型羧酶体以“共组装”模式形成，而β型遵循“由内而外”的路径。

羧酶体组装的分子基础

β型羧酶体结合蛋白CcmM：包含γ-CA样结构域和Rubisco小亚基同源重复序列，通过相分离驱动Rubisco凝聚体形成。其长短两种亚型比例对规则组装至关重要。
α型羧酶体结合蛋白CsoS2：作为固有无序蛋白，通过N端与Rubisco互作，C端稳定壳结构。其可变长度调控羧酶体尺寸。
CA的区室化调控：CA活性严格限制在羧酶体内，防止胞质HCO₃^-泄漏。α型CA依赖RuBP的调控机制可能适应光强波动。

羧酶体壳的机制解析

壳由六聚体和五聚体蛋白构成，中央孔道选择性转运代谢物（如HCO₃^-和3-磷酸甘油酸）。分子动力学模拟表明，壳对CO₂和O₂高度通透，但CO₂的积累通过CA活性实现，而非选择性屏障。

异源系统重建羧酶体

在E. coli中成功组装功能性羧酶体需精确调控基因表达比例。烟草叶绿体中已实现简化版α羧酶体形成，但壳蛋白比例异常。混合羧酶体设计（如结合高速Rubisco与简单壳结构）展现出性能优化潜力。

植物叶绿体中实现蓝藻CCM的挑战

除羧酶体外，需消除叶绿体基质CA以避免HCO₃^-泄漏，并引入功能性HCO₃^-转运蛋白。定向进化已用于修复异源转运蛋白功能，而质体微染色体技术可能成为多基因整合的新策略。

未来展望

羧酶体工程仍需解决壳代谢物转运机制、ATP供应途径及宿主适配性等问题。随着对蓝藻CCM调控机制的深入，其在作物中的移植将迈向现实，为全球粮食安全提供创新解决方案。