關西學院大學生命環境學部的松田裕介教授、島川銀河助教（研究時，現任職神戶大學）、辻敬典助教（現為專職講師）、大阪大學蛋白質研究所的慄棲源嗣教授、川本晃大助教、Christoph Gerle特任副教授（現任職日本理化學研究所）等，與巴塞爾大學（瑞士）、格勒諾布爾大學（法國）等合作發表研究成果稱，發現了一種使海洋矽藻類能夠進行高效光合反應的新型蛋白質，並利用基因體編輯和冷凍電子顯微鏡技術，明確了其高效固定二氧化碳的分子機制。相關研究成果已於10月2日發表在《Cell》上。
圖1.管狀聚合PyShell的密度圖（左）和以2.4Å解析度解析的最小單元結構正視圖、側視圖和後視圖（右）。（供圖：關西學院大學）
矽藻擁有的二級葉綠體結構與陸生植物的有很大不同，固定CO₂的核酮醣-1,5-二磷酸羧化酶（Rubisco）鬆散地聚集在矽藻的葉綠體中心，形成名為蛋白核（Pyrenoid）的結構。葉綠體起源於藍藻的共生體，被稱為一級葉綠體，而由帶有一級葉綠體的綠藻或紅藻與其他生物共生獲得的葉綠體則為二級葉綠體。矽藻具有源於紅藻的二級葉綠體。
蛋白核的中心部分穿透類木質膜，其膜腔中獨特性存在碳酸酐酶（CA）。研究認為，CA能使矽藻通過從海水中吸收並儲存在葉綠體中的重碳酸氫根離子快速轉化成CO₂，為聚合在蛋白核中的核酮醣-1,5-二磷酸羧化酶提供CO₂。然而，由於蛋白核難以分離，其成分和功能並不為人所熟知。
此次研究團隊使用了可通過紫外線照射與細胞中相輔作用的蛋白質形成共價鍵合的特殊氨基酸。這種方法被納入矽藻蛋白質合成系統，用於探索能與核酮醣-1,5-二磷酸羧化酶結合的新型蛋白質。
通過上述研究發現了一種新型蛋白質。分析發現這種蛋白質存在於二級葉綠體中蛋白核的邊緣，因此被命名為PyShell（Pyrenoid Shell）。
之後，研究團隊利用基因重組技術製備了PyShell的樣本，並通過最新的冷凍電子顯微鏡對其結構進行了解析。
研究發現，PyShell可在試管内自我聚合。對該聚合體的低溫電子顯微鏡分析表明，它具有週期性的管狀或片狀結構。研究人員成功確定了其三維結構，並發現突出的C末端將PyShell分子連接起來，形成管狀或片狀結構。
此外，研究人員還利用冷凍電子斷層掃描技術詳細觀察了矽藻内部的細結構。在葉綠體中的蛋白核周圍發現了與可在試管内自聚的PyShell相同的結構。
通過基因體編輯技術破壞矽藻的PyShell基因後，這些基因被破壞的矽藻在空氣環境的成長速度顯著變慢，光合作用效率顯著降低，僅為野生菌株的1/80。
進一步觀察PyShell基因被破壞的矽藻二級葉綠體，發現正常的蛋白核結構無法形成，蛋白核周圍的片狀結構消失，蛋白核結構崩陷並壓碎。這表明由PyShell形成的正常蛋白核結構對核酮醣-1,5-二磷酸羧化酶的CO₂供應至關重要。
PyShell廣泛存在於矽藻等作為海洋初級生產關鍵角色的二級共生藻類中。本次研究還通過將該基因序列與海洋元轉錄組數據庫進行比對，證實該基因在全球海洋中均有表達。該基因被視為海洋初級生產的基礎。
松田教授表示：「我們認為PyShell是揭開海洋葉綠體之謎的一個非常重要的因素。我們最初的想法是在不破壞蛋白核的情況下，提取並深入瞭解其内部成分的更多資訊。儘管這一研究歷經較長時間才得以實現，但新技術的出現以及國内和國際合作研究為我們提供了巨大的支持。另一方面，這次發現的結果僅僅是個開始。我們希望以此為突破口，進一步探索海洋光合作用的本質」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Cell
論文：Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO2 fixation
DOI：10.1016/j.cell.2024.09.013
