碳固定蛋白Rubisco进化史中发现的“缺失环节”

碳固定形式I'rubisco的带状图（L）和分子表面表示（R），显示八个分子亚基，而没有小亚基。同样由研究小组生成的酶的X射线衍射图谱也位于背景中。

一组科学家发现了一种古老形式的Rubisco，它是地球上最丰富的酶，对我们的生命至关重要。

新发现的Rubisco发现于先前未知的环境微生物中，可洞悉构成地球食物链基础的光合生物的进化。

加州大学戴维斯分校的帕特里克·施（Patrick Shih）实验室的博士后学者道格·班达（Doug Banda）说：“卢比斯科是生产食物的主要动力，因此它可以从大气中吸收二氧化碳并将其固定在糖中，以供植物和其他光合生物利用。”由劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）管理的联合生物能源研究所（JBEI）的助理教授兼植物生物系统设计主任。“它也是地球上最古老的固碳酶之一。”

在植物，藻类和蓝细菌中发现的I型rubisco具有很深的进化史，可追溯到将近24亿年前的大氧化事件，当时蓝细菌通过光合作用将氧气引入地球，从而改变了地球的大气层。 。Rubisco在这一基础性活动中的作用使其成为研究生命进化的科学家以及寻求开发生物基燃料和可再生能源技术的科学家的重点。

在《自然植物》杂志上发表的一项研究中，班达（Banda）和加州大学戴维斯分校，加州大学伯克利分校和伯克利实验室的研究人员报告了一种以前未描述的I型红宝石谱系的发现和表征-研究人员怀疑，这种I型红宝石谱系是在进化前从中衍生出来的。蓝细菌。

通过对环境样品进行宏基因组分析发现并在实验室合成，这种新的谱系被称为I型Rubisco，为研究人员提供了有关I型Rubisco的结构演变的新见识，并可能提供有关这种酶如何改变行星的线索。

Shih表示：“这可能是24亿年前氧气上升之前，rubisco的样子。”他指出，我的rubisco的形式为科学家提供了一个窗口，让他们了解古代微生物在固定碳之前会如何固定碳。蓝细菌的上升和形式I rubisco。

一个看不见的世界

Form I rubisco是一种hexadecamer，这意味着它是由八个核心大分子亚基和八个位于顶部和底部的小亚基组成的。这种蛋白质的每个结构都是光合作用不可或缺的部分，因此也是碳固定过程的组成部分。

Rubisco的其他功能形式存在于古细菌域的细菌和微生物中。这些变体具有不同的形状和大小，并且都执行相同的光合作用步骤。但是，形式I rubisco负责地球上绝大多数的碳固定。

加州大学伯克利分校地球与行星科学系的研究合著者和合作者Jill Banfield教授在对地下水样品进行了宏基因组分析后发现了I Rubisco。元基因组分析使研究人员可以检查环境中未培养的微生物的基因和遗传序列。

利用Banfield，Banda和Shih提供的基因和遗传序列，在实验室中使用大肠杆菌成功表达了I'rubisco。为了了解这种新鉴定的形式如何发挥作用并将其与先前发现的Rubisco酶进行比较，科学家需要为其结构建立精确的3D模型。为此任务，主要作者转向伯克利实验室的结构生物学家Paul Adams，Henrique Pereira和Michal Hammel。

首先，亚当斯（Adams）和佩雷拉（Pereira）在伯克利实验室（Berkeley Lab）的高级光源（ALS）上进行了X射线晶体学分析，该方法可以生成具有原子级分辨率的分子图像。然后，为捕捉酶在不同活动状态下结构的变化，哈默尔（Hammel）在ALS处使用SIBYLS束线应用了一种称为小角度X射线散射（SAXS）的技术。

SAXS是一种较低分辨率的技术，但与晶体学不同（晶体学要求样品分子以晶体形式冷冻），SAXS是在溶液中进行的。将这两种方法的数据结合起来后，科学家们可以构建出前所未有的复杂分子模型，它们可以在自然界中出现。

“就像许多重要的酶一样，rubisco具有连接在一起的多个蛋白质结构域，并且在光合作用反应过程中与其他分子结合，它将循环通过这些结构域的不同排列，”伯克利实验室分子生物物理学家，生物物理学家哈默尔说。整合生物影像（MBIB）部门。“我们的技术确实携手发挥作用，以揭示这种新型新颖的rubisco在现实的生理条件下的行为。”

ALS调查显示，与I型rubisco一样，I型rubisco也是由八个大的亚基组成的。但是，它没有以前认为对其碳固定功能必不可少的小亚基。

现在，研究人员认为，I型Rubisco形式代表了I型Rubisco结构演化史上的一个缺失环节。

班达说：“发现没有小亚基形成的八聚体红宝石，使我们可以问[进化论]问题，如果没有小亚基赋予的功能，生活会是什么样子。”

在成功完成对I型Rubisco的结构研究后，Shih邀请Hammel，Adams和Pereira将其互补方法应用于其他重要植物酶的研究，包括其他形式的Rubisco。

MBIB生物物理学家Pereira说：“我们在伯克利实验室合作已经有10多年了，能够看到晶体学和SAXS结合起来可以理解生物学问题，这真令人满足。“一旦使用了这些不同的结构生物学技术的科学家们就会将自己视为竞争者，相互竞相解决结构。但现在是纯粹的协作。”

阅读光合作用和碳固定化的进化过程中发现的缺失环节，以获取更多有关此研究的信息。

参考：Douglas M. Banda，Jose H. Pereira，Albert K. Liu，Douglas J. Orr，Michal Hammel，Christine He，Martin AJ Parry，Elizabete Carmo-Silva，Paul D.撰写的“新型细菌进化枝揭示了I型Rubisco的起源”。亚当斯，吉里安·班菲尔德（Jillian F.Banfield）和帕特里克·施（Patrick M.Shih），2020年8月31日，自然植物。
10.1038 / s41477-020-00762-4

ALS是能源部（DOE）的用户设施，JBEI是DOE生物能源研究中心。这项研究中使用的晶体学光束线是由伯克利结构生物学中心运营，并由霍华德·休斯医学研究所资助。SIBYLS光束线得到了美国国家癌症研究所（National Cancer Institute）授予的DNA修复结构生物学和美国能源部科学办公室（DOE of Science）的支持。这项工作得到了美国能源部科学办公室的部分支持。