Проект природных наномашин, улавливающих углерод, прокладывает путь к биоинженерии и климатическим инновациям

Исследователи из Университета Ливерпуля и Ньюкасла открыли, как собираются бактериальные органеллы, открыв новые пути для биоинженерии и климатических инноваций.

Совместная группа представила наиболее подробную картину того, как бактерии создают микроскопические отсеки, известные как карбоксисомы — природные наномашины, которые играют жизненно важную роль в захвате и преобразовании углекислый газ (CO₂).

В исследовании используются передовые методы структурной биологии, чтобы раскрыть давние загадки, окружающие один из ключевых ферментов карбоксисомы — карбоангидразу. Полученные результаты могут стать основой для будущих достижений в области биотехнологий, сельского хозяйства и дизайна экологически чистых материалов.

Статья опубликована в журнале Труды Национальной академии наук.

Карбоксисомы — это белковые органеллы, которые помогают многим бактериям процветать в средах с низким содержанием CO₂. Концентрируя и преобразуя CO₂ в полезные формы, они играют центральную роль в глобальном углеродном цикле. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, ученые изо всех сил пытались понять, как именно карбоангидраза структурирована, собрана и расположена внутри этих наноскопических отсеков.

Использование одночастичного крио-электронная микроскопиякоманда захватила фермент карбоангидразу (CsoSCA) из модельной бактерии Halothiobacillus neapolitanus с разрешением, близким к атомному. Они также разработали синтетические «мини-оболочки» — созданные в лаборатории версии оболочек карбоксисом — чтобы проверить, как фермент рекрутируется и организуется внутри этих белковых клеток.

Их результаты показывают, что фермент образует необычную гексамерную (шестичастную) структуру и инкапсулируется посредством гибких, неспецифических взаимодействий с белками оболочки, что бросает вызов предыдущим предположениям о том, что необходим специфический линкерный белок. Примечательно, что часть фермента также взаимодействует с Рубиско, еще одним важным ферментом, связывающим CO₂, что позволяет предположить модульную конструкцию «набора инструментов», которую бактерии могут использовать для оптимизации своего механизма улавливания углерода.

Исследователи предлагают новую модель организации карбоксисом, предлагающую более четкое представление о том, как ферменты пространственно координируются для достижения максимальной эффективности. Это открытие не только углубляет понимание микробного метаболизма, но и открывает двери для разработки синтетических карбоксисом для практического использования.

Потенциальные применения включают усиление фиксации CO₂ в сельскохозяйственных культурах для повышения урожайности, создание дизайнерских наноматериалов для катализа или биосенсорства, а также разработку новых биотехнологий улавливания углерода.

Однако команда отмечает, что некоторые аспекты сборки ферментов были выведены из синтетических систем, что означает динамическое поведение карбоангидраза в живых клетках могут различаться. В будущих исследованиях будут использоваться передовые методы визуализации и молекулярной инженерии для уточнения этих моделей и разработки улучшенных искусственных оболочек, способных инкапсулировать высокие концентрации каталитических ферментов.

Профессор Люнинг Лю, заведующий кафедрой микробной биоэнергетики и биоинженерии в Ливерпульском университете и ведущий автор исследования, сказал: «Визуализируя, как природа строит эти крошечные фабрики по фиксации углерода, мы можем начать воспроизводить и перепроектировать их для целого ряда устойчивых технологий. Это захватывающий шаг вперед для синтетическая биология и экологические инновации».

Доктор Джон Марлс-Райт, соавтор и академический руководитель отдела электронной микроскопии в Университете Ньюкасла, сказал: «Эти захватывающие структурные открытия карбоксисом стали возможными благодаря доступу к оборудованию электронной микроскопии в Университете Йорка и национальному крио-ЭМ центру в eBIC».

Эта последняя работа показывает, как структурная биология могут пролить свет на скрытую архитектуру самых маленьких машин в жизни, а также на то, как эти идеи могут однажды помочь решить некоторые из самых больших проблем планеты.