科大研究團隊分析藍藻羧酶體自組裝原理 為促進光合作用提供新見解

香港科技大學（科大）研究團隊發現了羧酶體（一種在部分細菌和藻類中存在的固碳結構）的自組裝原理。此發現可以幫助科學家重新設計和應用這類固碳結構，讓植物將陽光轉化為更多能源，提高光合作用效率，有望可增加全球糧食產量，並減緩全球暖化。

羧酶體是部分細菌和微藻中的細菌微區室，其將特定的固碳酶包裹在由蛋白質構成的外殼中。細菌通過羧酶體進行碳固定，即是將大氣中的二氧化碳轉化為細胞生長所需的有機化合物的過程。科學家一直試圖了解這種複雜的高效固碳體系的自組裝過程。

是次研究由科大海洋科學系曾慶璐副教授帶領，其團隊解析了從名為原綠球藻的海洋藍藻中純化出的了最小羧酶體的完整結構。該團隊與中國科學技術大學生命科學與醫學部周叢照教授課題組合作，通過蔗糖密度梯度離心等手段方法，克服了細胞破碎和污染方面其中一個最大的技術難題，成功純化出原綠球藻ɑ-羧酶體樣品，並提出之前研究中尚未觀測到的α-羧酶體完整組裝模型。

當中，研究團隊利用單顆粒冷凍電子顯微鏡分析ɑ-羧酶體的結構，並歸納出其蛋白外殼的組裝模式。該結構為類二十面體形狀三維結構，表面以特定的蛋白質排列而成。研究團隊收集了超過23,400張由科大生物冷凍電鏡中心顯微鏡拍攝的圖像，並手動挑選了約32,000個完整的ɑ-羧酶體顆粒進行分析，得出ɑ-羧酶體的直徑約為86 nm，是目前已知尺寸最小的羧酶體。研究發現RuBisCO酶在羧酶體內部有序排列形成三層環狀結構，支架蛋白CsoS2通過中間域結合在外殼內表面，並在外殼內部形成多價相互作用網絡交聯RuBisCO酶，從而精準調控ɑ-羧酶體的組裝。

植物合成生物學是羧酶體最有前景的應用領域之一。將羧酶體引入植物葉綠體發揮其CO₂濃縮機制，可有望提高植物光合作用效率和農作物產量。

曾教授表示：「我們的研究揭開了原綠球藻羧酶體自組裝的神秘面紗，為全球碳循環提供了新見解。這些發現對減緩全球暖化亦很重要，因為海洋藍藻可固定全球約25%的二氧化碳，我們對海洋藍藻高效固碳機制的研究將有利於進一步提高其固碳效率，從而去除更多大氣中的二氧化碳。」

基於此研究，團隊計劃將原綠球藻的α-羧酶體引入植物葉綠體中，並研究其是否可以提高植物的光合作用效率。團隊還計劃利用基因編輯技術改造羧酶體基因，製造能夠以非常高的速率固定二氧化碳的轉基因超級藍藻。這項技術有望能幫助減緩全球暖化。

該研究成果發表於《自然—植物》期刊。