绿藻如何快速生长？这两个新的合作提供了这些生物如何从空气中吸收二氧化碳进行光合作用的见解，这是它们快速接收池或池塘的关键因素。了解这一过程可能有一天会帮助研究人员提高小麦和水稻等作物的生长速度。
在本周发表于Cell的两项研究中，由卡内基（卡内基和马克斯普朗克生物化学研究所的合作者）领导的研究小组报告了一个名为pyrenoid的第一个细胞库的详细清单，该细胞库被藻类使用。收集和浓缩二氧化碳使光合作用过程比大多数其他藻类和植物更有效。
研究人员还发现长期以来被认为是固体结构的pyrenoids实际上就像水滴，当藻类分裂时会溶解到周围的细胞培养基中。
普林斯顿分子生物学助理教授和前卡内基工作人员Martin Jonikas说：“了解藻类如何浓缩二氧化碳是实现其他植物光合作用改善目标的关键步骤。”“如果我们可以设计其他作物来浓缩碳，我们可以满足世界。对食物的需求不断增长。“
水生藻类和一些其他植物已经开发出碳浓度机制，可以提高光合作用的速度，植物将二氧化碳和阳光转化为糖类进行生长。所有植物都使用一种叫做Rubisco的酶来将二氧化碳“固定”成糖，这些糖可以被植物使用或储存。
藻类优于许多陆生植物，因为它们在类黄酮中积累Rubisco酶，其中酶遇到从空气中泵出的高浓度二氧化碳。周围更多的二氧化碳使Rubisco酶更快地发挥作用。
在本周报道的两项研究的第一项研究中，研究人员对一种叫做莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的藻类碳浓度机制的蛋白质进行了全面研究。研究人员已经开发出快速标记和评估藻类蛋白质的方法，以识别藻类蛋白质的位置和功能，详细说明蛋白质之间的物理相互作用，形成类似于“相互作用基团”的物质。
该研究揭示了89种新的pyrenoid蛋白质，包括研究人员认为将碳引入pyrenoid的蛋白质和形成pyrenoid所需的其他蛋白质。他们还发现了围绕细胞器的三个以前未知的pyrenoid层，就像洋葱层一样。
“这些信息代表了对这种基本碳浓度机器如何组织的最佳评估，并提出了探索其工作原理的新方法，”该研究的第一作者卡内基麦克林托克的前博士后研究员Luke Mackinder说。他现在领导一个团队。约克大学研究人员。
在第二项研究中，研究人员发现，长期以来被认为是固体结构的pyrenoids实际上是液体。先前研究中使用的技术要求研究人员在成像前杀死藻类并对其进行化学保护。在这项新研究中，研究人员使用黄色荧光蛋白标记Rubisco并在体内对其进行成像。
当观察藻类时，伊丽莎白弗里曼罗森茨威格是卡内基的Jonakas组的斯坦福研究生，而Mackinder使用高功率激光来破坏Rubisco上一半pyrenoid上的荧光标签，同时将标签留在另一半。 pyrenoid是完整的。在几分钟内，荧光在整个pyrenoid中重新分布，表明酶像在液体中一样容易移动。
马克斯普朗克生物化学研究所的博士后研究员和项目负责人Benjamin Engel利用另一种称为冷冻电子断层扫描的成像技术进一步探索了这一发现。他冻结并准备整个藻类细胞，然后使用非常敏感的电子显微镜对其进行成像，并且能够分辨出单个分子的结构。
该技术使Engel能够以3D和纳米分辨率显示pyrenoid。通过将这些图像与液体系统的图像进行比较，研究人员证实了pyrenoid是由液体组成的。
“这是一个罕见的例子，经典遗传学，细胞生物学和高分辨率成像方法都在调查中汇集在一起，”恩格尔说。
该研究使该团队能够询问当单细胞藻类分裂成两个子细胞时，pyrenoids如何传递给下一代。 Freeman Rosenzweig指出pyrenoid有时不能分裂，留下没有pyrenoid的子细胞。
研究小组使用荧光蛋白观察到，未能接受一半pyrenoid的细胞实际上是自发形成的。他们发现每个子细胞都接受了一定量的溶解形式的pyrenoid，这些几乎未被发现的成分凝聚成一个完整的pyrenoid。
“我们相信细胞分裂前的pyrenoid裂解和分裂后凝固可能是一种不必要的机制，以确保两个子细胞都有pyrenoids，”Jonikas说。 “那样，两个子细胞都会有这个对吸收碳很重要的关键细胞器。”
为了进一步探索如何发生这种情况，Jonikas与Ned Wingreen在普林斯顿大学合作。他和他的团队创建了一个计算机模拟Rubisco和另一种名为EPYC1的蛋白质之间的相互作用 - 发现这对于Mackinder和Jonikas团队中的其他人来说对pyrenoid至关重要 - 它将像胶水Rubiscos粘在一起一样多。
计算机模拟显示，pyrenoid的状态 - 无论是浓缩液滴还是溶解到周围隔室中 - 取决于ECYC1上结合位点的数量。在模拟中，Rubisco有八个绑定站点，或八个可以连接到Rubisco的EPYC1。如果EPYC1有四个结合位点，则两个EPYC1恰好填充Rubisco上的一个停靠站点，反之亦然。因为这些完全键合的Rubisco-EPYC1配合物很小，它们形成溶解状态。但是，如果EPYC1具有三个或五个结合位点，则它不会填满所有Rubisco位点，并且Rubiscos上有开放位点用于通过额外的EPYC1进行结合。这些EPYC1也有免费网站，可以吸引其他Rubiscos。结果是一簇Rubiscos和ECYC1s形成液滴。
根据EPYC1与Rubisco结合位点的比例，系统相的变化可以被认为是“幻数”效应，其在物理学中通常用于描述特定数量的颗粒形成异常稳定状态的条件。 “除了pyrenoid系统，这些神奇的数字可能在聚合物物理和合成生物学领域有一些货币，”Wingreen说。
Wingreen和Jonikas正在继续他们的合作，并希望通过探索Rubisco和EPYC1的不同灵活性和配置，以及将两种蛋白质结合在试管中并操纵结合位点来理论上开发该项目。进行了实验。
“之前的想法是，它们具有的结合点越多，蛋白质就越容易聚集，”Jonikas说。 “魔法数字效应的发现不仅对于pyrenoids很重要，而且对于在自然界中发现的许多其他类似液体的细胞器也很重要。”
卡内基植物生物学临时主任苏瑞莱说：“很高兴见到这一点。由马丁在卡内基发起的工作正在取得成果，这不仅会对植物生物学和农业产生巨大影响，还会对生物工程和合成生物学产生巨大影响。“
通过进一步研究，这些研究结果可能具有重要意义。确保快速增长的作物可供世界不断增长的人口使用的见解。
图片说明：普林斯顿大学主导的一项研究详细介绍了藻类生长机制的一个重要部分，最终目标是利用这些知识改善粮食作物的生长。研究人员使用一种称为低温电子断层扫描的技术对称为pyrenoid的藻类结构进行成像，该结构浓缩了二氧化碳，使其更容易用于光合作用，从而增长。这个放大的pyrenoid内部图像显示了大量的碳固定酶，称为Rubiscos（蓝色球状结构）。绿色管内的黄色小管被认为将二氧化碳和其他物质带入pyrenoid。图片由Max Planck生物化学研究所的Benjamin Engel提供。
