藻类可能是养活世界新兴人口的关键。别担心;没有人会让你吃它们。但是因为它们比大多数植物吸收空气中的二氧化碳更有效，藻类可以改变农业。如果它们的效率可以转移到作物上，我们可以用更少的水和更少的氮来在更短的时间内种植更多的食物。
由美国国家科学院美国的Martin Jonikas领导的团队发表的一篇新论文揭示了一种蛋白质，它是绿藻实现如此卓越效率所必需的。这种蛋白质的发现是绿藻用于农业的重要的第一步。
这一切都始于世界上最丰富的酶Rubisco。
Rubisco将大气中的二氧化碳“固定”（或转化）成地球上所有光合生物中的碳基糖，如葡萄糖和蔗糖。众所周知，这种反应对地球上的生命至关重要，因为构成生物体的几乎所有碳在某种程度上都被酶固定在大气中。这种反应的速度限制了我们许多作物的生长速度，许多科学家认为加速这种反应会提高作物产量。
Rubisco的有趣之处在于它大约30亿年前首次在细菌中进化，当时地球的大气中的二氧化碳比现在多。随着光合细菌在古代地球上越来越受欢迎，它们改变了我们大气的成分。
“Rubisco在古老地球富含碳的环境中非常有效，”Jonikas说。 “但它最终将大部分二氧化碳从大气中排出，而今天二氧化碳就是一种气体。”
Rubisco确实是自己成功的牺牲品。在今天的大气中，二氧化碳仅占分子的约0.04％。在这种低浓度的二氧化碳中，Rubisco工作极其缓慢，这限制了许多作物的生长速度。
事实证明，藻类是让Rubisco跑得更快的一种方式。它被称为pyrenoid。将其视为碳固定式涡轮增压器。
Pyrenoid是一个充满Rubisco的细胞室，被淀粉鞘包围。在显微镜下，pyrenoid看起来像细胞内的球形泡沫。它的工作是将二氧化碳集中在Rubisco周围，以便Rubisco可以更快地运行。
Pyrenoid具有如此巨大的生长优势，几乎所有海洋中的藻类都有一种。大约三分之一的行星碳固定被认为是在pyrenoids中发生，但我们几乎不知道这些结构是如何在分子水平上形成的。在研究人员尝试将pyrenoids用于作物之前，他们需要这种分子理解，预计这将使作物产量提高多达60％。
研究小组几十年前专注于一个基本的谜团：是什么导致Rubisco聚集在pyrenoid的核心？
Jonikas和他的团队发现，在他们的藻类Chlamydomonas模型中，Rubisco的这种聚集是由一种叫做EPYC1的蛋白质介导的，用于基本的Pyrenoid成分。他们发现EPYC1与Rubisco结合，它被包装成蛋白质基质，形成pyrenoid的内部。更重要的是，在大多数含有pyrenoid的藻类中发现了类似于ECYC1的蛋白质，并且在缺乏这些结构的藻类中未发现。
“完全了解EPYC1和pyrenoids需要大量的额外工作，但我们的研究结果是设计藻类碳捕获效率的第一步，”Jonikas说。
研究小组还包括了卡内基的Luke Mackinder（第一作者），Vivian Chen，Elizabeth Freeman Rosenzweig，Leif Pallesen，Gregory Reeves和Alan Itakura。该项目与莫斯科梅耶，马德琳米切尔，奥利弗卡斯帕里和霍华德格里菲斯在剑桥大学密切合作;马克斯普朗克分子 Tabe Mettler-Altmann，Frederik Sommer，TimoMühlhaus，Michael Schroda和Mark Stitt，植物生理学研究所;华盛顿 Robyn Roth和大学圣路易斯 Ursula Goodenough;和拜罗伊特大学的Stefan Geimer。
