幾乎在地球上的每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中都發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻，它是少數(shù)可以通過光合作用產(chǎn)生自身能量并從二氧化碳分子中“固定”碳的細(xì)菌之一 - 并將其轉(zhuǎn)化為稱為羧基體的微小隔室內(nèi)的燃料。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校和能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的研究人員利用開創(chuàng)性的可視化方法，制作了這種復(fù)雜而重要的細(xì)胞機(jī)器的電影，這些電影正在活細(xì)胞內(nèi)組裝。他們觀察到細(xì)菌以植物，動物和其他真核細(xì)胞中從未見過的方式構(gòu)建這些內(nèi)部區(qū)室。

真實(shí)的細(xì)胞器不像真核細(xì)胞器一樣從內(nèi)到外聚集，”資深作者Cheryl Kerfeld說，他曾是DOE JGI的前身，現(xiàn)在在密歇根州立大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校。該研究結(jié)果于2013年11月21日發(fā)表在Cell雜志上，將闡明細(xì)菌生理學(xué)，也可能影響納米技術(shù)的發(fā)展。

雖然藍(lán)藻通常被稱為藍(lán)綠藻，但這個(gè)名稱用詞不當(dāng)，因?yàn)樵孱惥哂蟹Q為細(xì)胞器的復(fù)雜的膜結(jié)合區(qū) - 包括葉綠體 - 進(jìn)行光合作用，而藍(lán)細(xì)菌與所有其他細(xì)菌一樣，缺乏膜結(jié)合的細(xì)胞器。它們的大部分細(xì)胞機(jī)器 - 包括它們的DNA - 漂浮在細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，不受細(xì)胞膜的限制。然而，他們確實(shí)有一些基本的微區(qū)，其中發(fā)生了一些專門的任務(wù)。

看起來很像病毒的多面包絡(luò)，carboxysomes是二十面體，有大約20個(gè)三角形的邊或小平面。它們含有大量的核酮糖1,5二磷酸羧化酶加氧酶(通常稱為RuBisCo)，這是一種在蛋白質(zhì)殼內(nèi)固定碳所需的極其豐富但緩慢的酶。微室還有助于濃縮二氧化碳并將其圍繞在RuBisCo附近，同時(shí)鎖定氧氣，否則氧氣會抑制碳固定中涉及的化學(xué)反應(yīng)。

因?yàn)樗鼈兎浅ＸS富，藍(lán)藻在地球的碳循環(huán)，空氣，海洋和陸地之間的碳運(yùn)動中發(fā)揮著重要作用。“全球碳固定的很大一部分發(fā)生在carboxysomes，”Kerfeld說。藍(lán)藻和植物一起通過降低大氣中的碳含量并將其沉積在海洋和陸地的有機(jī)物中來影響氣候變化。

為了跟蹤carboxysome組裝，第一作者，杰弗里·卡梅倫，開發(fā)了Kerfeld稱為“可誘導(dǎo)系統(tǒng)開啟carboxysome生源。”他首先研制出的突變株聚球藻有意破壞其基因構(gòu)建羧基體的藍(lán)藻，然后引入已用熒光標(biāo)記物標(biāo)記的每個(gè)敲除基因的產(chǎn)物。他拍攝了細(xì)菌的延時(shí)數(shù)字圖像 - 一種稱為延時(shí)顯微鏡的技術(shù) - 因?yàn)樗麄兪褂冒l(fā)光的積木并將它們整合到他們新的carboxysomes中。研究小組還使用透射電子顯微鏡對羧基構(gòu)造的中間階段進(jìn)行了高分辨率靜態(tài)拍攝。通過這些詳細(xì)的圖像，他們能夠?yàn)槊總€(gè)被淘汰的基因的每個(gè)產(chǎn)品提供特定的作用，以及細(xì)菌如何構(gòu)建其羧基體的時(shí)間表。

電影：在“開啟”關(guān)鍵基因后，藍(lán)細(xì)菌開始用熒光標(biāo)記材料構(gòu)建羧基體。視頻由每三分鐘拍攝的靜止圖像組成，從誘導(dǎo)基因后兩小時(shí)開始。圖片來源：Jeffrey Cameron和Cheryl Kerfeld。

這是科學(xué)家第一次能夠觀察細(xì)菌細(xì)胞器，因?yàn)樗鼈兪怯苫罴?xì)胞構(gòu)建的?？藸柗茽柕轮赋?，不僅拍攝技術(shù)比以前的方法有了重大進(jìn)步，而且對這項(xiàng)工作有深遠(yuǎn)的影響。

“這些結(jié)果為封裝在carboxysome中的酶的組織提供了線索，以及它如何增強(qiáng)CO2固定，”Kerfeld說。此外，這些研究結(jié)果不僅有助于研究人員更好地了解這個(gè)以前神秘的隔間是如何工作的，他們還可以調(diào)整Kerfeld團(tuán)隊(duì)對羧基體系結(jié)構(gòu)的了解，并將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)合成納米級反應(yīng)器。了解藍(lán)藻中的碳固定有助于我們理解這種無處不在的有機(jī)體如何影響全球碳循環(huán)。