צוות מאוניברסיטת הונג קונג למדע וטכנולוגיה קידם את ההבנה שלנו לגבי קרבוקסיזומים – מבנים בחיידקים ואצות המקבעים פחמן. הם הראו כיצד ניתן לטהר אותם ולפרט את המבנה שלהם, וסללו את הדרך ליישומים פוטנציאליים בשיפור הפוטוסינתזה של צמחים ותפוקת היבול, מה שיכול לעזור להגדיל את אספקת המזון ולהילחם בהתחממות הגלובלית. התוכניות העתידיות שלהם כוללות שינוי מבנים אלה כדי לשפר את הפונקציונליות שלהם ושילובם בצמחים כדי לבדוק את יעילותם בהגברת הפוטוסינתזה.
צוות מאוניברסיטת הונג קונג למדע וטכנולוגיה (HKUST) עשה התקדמות משמעותית בהבנת הקרבוקסיזומים, שהם מבנים בחיידקים ואצות מסוימים שמקבעים פחמן. תגלית זו יכולה לאפשר לחוקרים לשנות ולהשתמש מחדש במבנים אלה, ולשפר את יכולתם של צמחים להפוך את אור השמש לאנרגיה. התקדמות זו עשויה להוביל ליותר פוטוסינתזה יעילות, שיכולה להגביר את אספקת המזון העולמית ולעזור להילחם בהתחממות הגלובלית.
קרבוקסיזומים הם תאים זעירים בחיידקים ובאצות מסוימות הכוללים אנזימים מסוימים במעטפת העשויה מחלבונים. הם מבצעים קיבוע פחמן, שהוא תהליך המרת פחמן דו חמצני מהאטמוספירה לתרכובות אורגניות שיכולות לשמש את התא לצמיחה ואנרגיה. מדענים ניסו להבין איך התאים האלה מחברים את עצמם.
דגם ההרכבה העצמית של פרוכלורוקוקוס α-קרבוקסיזום. קרדיט: HKUST
פריצת דרך במחקר קרבוקסיזום
במחקר האחרון שלהם, הצוות בראשות פרופ' זנג צ'ינגלו, פרופסור חבר במחלקה למדעי האוקיינוס של HKUST הראה את הארכיטקטורה הכוללת של קרבוקסיזומים המטוהרים מסוג של חיידקים הנקראים פרוכלורוקוקוס.
בשיתוף פעולה עם פרופ' ג'ו קונג-ג'או מבית הספר למדעי החיים באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין, הצוות התגבר על אחד הקשיים הטכניים הגדולים ביותר בשבירת תאים וזיהום, מה שימנע טיהור תקין של קרבוקסיזומים. הצוות גם מציע מודל הרכבה שלם של α-carboxysome, שלא נצפה במחקרים קודמים.
פרופ' זנג צ'ינגלו (מימין) ואחד ממחברי עבודת המחקר מר לי האופו (משמאל), דוקטורנט במחלקה למדעי האוקיינוס, מציג את המדגם של פרוכלורוקוקוס תרבות MED4. קרדיט: HKUST
באופן ספציפי, הצוות השתמש במיקרוסקופיה קריו-אלקטרון של חלקיקים בודדים כדי לקבוע את המבנה של α-carboxysome ולאפיין את תבנית ההרכבה של מעטפת החלבון, שנראית כמו צורה בעלת 20 צדדים עם חלבונים ספציפיים מסודרים על פני השטח שלה.
כדי לקבל את המבנה של ה-α-carboxysome המינימלי בקוטר 86 ננומטר, הם אספו למעלה מ-23,400 תמונות שצולמו מהמיקרוסקופ במרכז HKUST Biological Cryo-EM ובחרו ידנית כ-32,000 חלקיקי α-carboxysome שלמים לניתוח.
מבנה פנימי והרכבה של קרבוקסיזומים
בפנים, האנזימים של RuBisCO מסודרים בשלוש שכבות קונצנטריות, וצוות המחקר גילה גם שחלבון בשם CsoS2 עוזר להחזיק הכל ביחד בתוך הקליפה. לבסוף, הממצאים מצביעים על כך שקרבוקסיזומים מורכבים מבחוץ פנימה. המשמעות היא שהמשטח הפנימי של המעטפת מתחזק על ידי חלקים מסוימים של חלבון CsoS2, בעוד שחלקים אחרים של החלבון מושכים את האנזימים RuBisCO ומארגנים אותם לשכבות.
בתמיכת HKUST Biological Cryo-EM Center, הצוות השתמש במיקרוסקופיה קריו-אלקטרון של חלקיקים בודדים כדי לקבוע את מבנה המעטפת השלמה ולאפיין את הארכיטקטורה הכוללת של תבנית ההרכבה הארבע-שכבתית של פרוכלורוקוקוס α-קרבוקסיזום. קרדיט: HKUST
אחד היישומים המבטיחים ביותר של קרבוקסיזומים הוא בביולוגיה סינתטית של צמחים, לפיו החדרת קרבוקסיזומים לכלורופלסטים צמחיים כמנגנון ריכוז ה-CO2 יכולה לשפר את היעילות הפוטוסינתטית ואת תפוקת היבול.
"המחקר שלנו חושף את המסתורין של הרכבת α-carboxysome מ פרוכלורוקוקוס, ובכך לספק תובנות חדשות על מחזור פחמן גלובלי", אומר פרופ' זנג. הממצאים יהיו חשובים גם כדי להאט את ההתחממות הגלובלית, הוא אומר, שכן ציאנובקטריה ימית מקבעת 25% מה-CO2 העולמי. "ההבנה שלנו לגבי מנגנון קיבוע ה-CO2 של ציאנובקטריה ימית תאפשר לנו לשפר את קצב קיבוע ה-CO2 שלהם כך שניתן יהיה להסיר יותר CO2 מהאטמוספירה", הוא אומר.
בעקבות מחקר זה, הצוות מתכנן להציג פרוכלורוקוקוס α-carboxysome לתוך כלורופלסטים צמחיים ולחקור אם α-carboxysome המינימלי יכול לשפר את היעילות הפוטוסינתטית בצמחים. הם גם מתכננים לשנות את הגנים הקרבוקסיזומים וליצור חיידקי-על מהונדסים גנטית שמסוגלים לתקן פחמן דו חמצני בקצבים גבוהים מאוד, מה שעשוי להאט את ההתחממות הגלובלית.
