Ученым из Ливерпульского университета удалось выделить из цианобактерий работающие органеллы, ответственные за превращение углекислого газа в орагнические соединения — карбоксисомы, и впервые детально описать их структуру. Исследовав их функции и особенности строения, биологи полагают, что в будущем карбоксисомы можно будет использовать, например, в разработке биореакторов. Исследование опубликовано в Nanoscale.

Карбоксисомы — органеллы бактерий, представляющие собой двадцатигранники и содержащие фиксирующие углерод ферменты. Они состоят из белка; размер их составляет от 80 до 175 нанометров. Внутри них в большой концентрации накапливается растворенный в воде углекислый газ, а кислорода там почти нет — это способствует значительному повышению эффективности рибулозодифосфаткарбоксилазы (Рубиско). Рубиско — главный фермент фиксации углерода, который превращает его в 3-фосфоглицерат. Затем из него синтезируется, например, глюкоза.

У растений для фиксации углерода в клетках имеются специальные зеленые мембранные органеллы — хлоропласты, которые, по-видимому, около полутора миллиарда лет назад были цианобактериями. У цианобактерий собственных мембранных органелл нет, зато карбоксисомы, позволяющие изолировать углекислый газ от остальной цитоплазмы, имеются у всех цианобактерий и у многих хемотрофных бактерий.

Ученым удалось выделить карбоксисомы, не повредив их структуры, из цианобактерий Synechococcus elongatus. Эти бактерии обладают бета-карбоксисомами, которые, в отличие от альфа-карбоксисом, двуслойны, и имеют большие размеры.

Выделенные карбоксисомы (просвечивающая электронная микроскопия). Matthew Faulkner et al / Nanoscale

Методы электронной и атомно-силовой микроскопии позволили впервые с высокой точностью визуализировать особенности морфологии и внутреннего расположения белков карбоксисомы. Раньше считалось, что по своей структуре карбоксисомы напоминают вирусные оболочки (им даже приписывали вирусную природу, но эта гипотеза не подтвердилась). Оказалось, что они гораздо более мягкие и гибкие. Микроскопические снимки показали, что они состоят из внешнего «защитного» слоя, внутреннего слоя и выстилающей его паракристаллической решетки из белка Рубиско.

Строение бета-карбоксисомы. Наружный слой белка – оранжевый, внутренний – серый, синим показана пирамида из Рубиско. Matthew Faulkner et al / Nanoscale

Ученые полагают, что полученные детальные данные о структуре и динамических характеристиках карбоксисом в будущем позволят использовать их в биоинженерных и нанотехнологических разработках, в том числе, в составе биореакторов.

Автор: Анна Казнадзей