Forscher werfen bei einer wichtigen Entdeckung, die die Photosynthese ankurbeln könnte, neues Licht auf Carboxysomen

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hat herausgefunden, wie Carboxysomen – kohlenstofffixierende Strukturen, die in einigen Bakterien und Algen vorkommen – funktionieren. Der Durchbruch könnte Wissenschaftlern dabei helfen, die Strukturen neu zu gestalten und umzufunktionieren, damit Pflanzen Sonnenlicht in mehr Energie umwandeln können, was den Weg für eine verbesserte Photosyntheseeffizienz ebnet, möglicherweise die globale Nahrungsmittelversorgung erhöht und die globale Erwärmung abschwächt.

Carboxysomen sind winzige Kompartimente in bestimmten Bakterien und Algen, die bestimmte Enzyme in einer Hülle aus Proteinen umhüllen. Sie führen eine Kohlenstofffixierung durch, bei der Kohlendioxid aus der Atmosphäre in organische Verbindungen umgewandelt wird, die von der Zelle für Wachstum und Energie genutzt werden können. Wissenschaftler haben versucht herauszufinden, wie sich diese Kompartimente zusammensetzen.

In ihrer neuesten Forschung hat das Team unter der Leitung von Prof. Zeng Qinglu, außerordentlicher Professor am Department of Ocean Science der HKUST, die Gesamtarchitektur von Carboxysomen gezeigt, die aus einer Bakterienart namens Prochlorococcus gereinigt wurden.

In Zusammenarbeit mit Prof. Zhou Cong-Zhao von der School of Life Sciences der University of Science & Technology of China überwand das Team eine der größten technischen Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Zellbruch und -kontamination, die die ordnungsgemäße Reinigung von Carboxysomen verhindern würde. Das Team schlägt außerdem ein vollständiges Assemblierungsmodell des α-Carboxysoms vor, das in früheren Studien nicht beobachtet wurde.

Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Naturpflanzen.

Das Team nutzte speziell die Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie, um die Struktur des α-Carboxysoms zu bestimmen und das Aufbaumuster der Proteinhülle zu charakterisieren, die wie eine 20-seitige Form aussieht, auf deren Oberfläche spezifische Proteine ​​angeordnet sind. Um die Struktur des minimalen α-Carboxysoms mit einem Durchmesser von 86 nm zu erhalten, sammelten sie über 23.400 Bilder, die mit dem Mikroskop im HKUST Biological Cryo-EM Center aufgenommen wurden, und wählten manuell etwa 32.000 intakte α-Carboxysom-Partikel zur Analyse aus.

Im Inneren sind die RuBisCO-Enzyme in drei konzentrischen Schichten angeordnet, und das Forscherteam entdeckte außerdem, dass ein Protein namens CsoS2 dabei hilft, alles in der Hülle zusammenzuhalten. Schließlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Carboxysomen von außen nach innen zusammengesetzt werden. Das bedeutet, dass die Innenoberfläche der Hülle durch bestimmte Teile des CsoS2-Proteins gestärkt wird, während andere Teile des Proteins die RuBisCO-Enzyme anziehen und sie in Schichten organisieren.

Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Carboxysomen ist die synthetische Biologie von Pflanzen, wobei die Einführung von Carboxysomen in pflanzliche Chloroplasten als CO2-Konzentrationsmechanismus die Photosyntheseeffizienz und den Ernteertrag verbessern kann.

„Unsere Studie enthüllt das Geheimnis der α-Carboxysomen-Assemblierung aus Prochlorococcus und liefert so neue Einblicke in den globalen Kohlenstoffkreislauf“, sagt Prof. Zeng.

Die Erkenntnisse seien auch wichtig, um die globale Erwärmung zu verlangsamen, erklärt er, da marine Cyanobakterien 25 % des globalen CO2 binden. „Unser Verständnis des CO2-Fixierungsmechanismus mariner Cyanobakterien wird es uns ermöglichen, ihre CO2-Fixierungsrate zu verbessern, sodass mehr CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden kann“, sagt er.

Im Anschluss an diese Studie plant das Team, das α-Carboxysom von Prochlorococcus in pflanzliche Chloroplasten einzuführen und zu untersuchen, ob das minimale α-Carboxysom die Photosyntheseeffizienz in Pflanzen verbessern kann. Sie planen außerdem, die Carboxysomen-Gene zu modifizieren und genetisch veränderte Super-Cyanobakterien herzustellen, die in der Lage sind, Kohlendioxid in sehr hoher Geschwindigkeit zu binden, was möglicherweise die globale Erwärmung verlangsamen kann.