光合細菌如何有效捕捉二氧化碳？

 

Cyanobium bacillare。圖片來源

能夠進行光合作用的生物，包括了植物與細菌。可不要小看小小的細菌，它們所進行的光合作用，佔了所有光合作用的一半喔！

但是，光合作用需要陽光、二氧化碳、水這三種原料。陽光只要太陽出來就可以了，水與二氧化碳則需要從環境中吸收。

對植物來說，它們有葉片，可以幫助它們把二氧化碳（大氣中的以及自己進行呼吸作用產生的）關在葉片裡，提高二氧化碳的濃度，讓光合作用的效率提升。但是單細胞的光合細菌（包括細菌與藍綠菌），要怎麼濃縮二氧化碳呢？

細菌們還是有一些小撇步的。有些細菌（如某些藍綠菌）有α-羧體（α-carboxysome）可以幫忙它們抓到需要的氣體；另外的一些細菌（部分藍綠菌與proteobacteria）則有β-羧體（β-carboxysome），也承擔著類似的功能。它們主要的不同是在於它們裡面的「魯必斯科」（RuBisCo）--這個負責把二氧化碳變成糖的酵素。

除了「魯必斯科」，α-羧體裡面還有碳酸酐酶（CA，carbonic anhydrase），負責加速二氧化碳和碳酸氫鈉之間的轉換，從而提高羧體內的二氧化碳濃度，提升光合作用效率；另外還有負責控制物質進出的外殼蛋白以及對碳酸酐酶與「魯必斯科」活性很重要的鋅和鎂等金屬離子。

最近有一群科學家發現，Cyanobium sp. PCC7001（以下簡稱PCC7001）這種藍綠菌所有的α-羧體很特別。怎樣的特別呢？

原來，PCC7001的α-羧體裡面的碳酸酐酶的活性，可以被「魯必斯科」的受質（RuBP）調節。研究團隊發現碳酸酐酶可以與RuBP形成一個晶體，這個晶體的結構分析以後發現，RuBP坐在碳酸酐酶接口附近的正電荷口袋內，與碳酸酐酶形成氫鍵。

酵素動力學的實驗發現，RuBP以濃度依賴的方式活化碳酸酐酶，由於它不是去佔領碳酸酐酶的反應活化位址，這樣的現象被稱為「異構調節作用」（allosteric regulation）。

研究團隊覺得這個現象非常有趣，但是，是否所有的羧體（α-羧體與β-羧體）都有呢？

首先，研究團隊發現，RuBP與碳酸酐酶的結合位置具有高度的專一性，這種結合位置在化學自營型細菌的碳酸酐酶中沒有觀察到。這顯示了這種特殊的調節機制，可能只在α-羧體中存在。

其次，透過對相關蛋白質序列和結構的分析，研究團隊發現與RuBP相互作用的特定胺基酸序列在α-羧體中是保守的，而在其他類型的羧體或相關結構中則不保守或缺失，這也意味著這個調節機制可能只存在於α-羧體。

所以，研究團隊認為，α-羧體專有的RuBP調節機制可能是光合自營細菌在特定生態條件下捕捉二氧化碳的一種適應機制。這種機制可以幫助這些細菌在日照周期中能夠更有效地管理與維持更穩定的碳固定效率。

參考文獻：

Pulsford SB, Outram MA, Förster B, Rhodes T, Williams SJ, Badger MR, Price GD, Jackson CJ, Long BM. Cyanobacterial α-carboxysome carbonic anhydrase is allosterically regulated by the Rubisco substrate RuBP. Sci Adv. 2024 May 10;10(19):eadk7283. doi: 10.1126/sciadv.adk7283. Epub 2024 May 10. PMID: 38728392; PMCID: PMC11086599.