兩項關于綠藻的新研究揭示了這些有機體如何從空氣中吸入二氧化碳用于光合作用（這也是它們能夠非常快速地生長的一種關鍵因素）的新認識。理解這一過程可能有朝一日有助人們提高小麥和水稻等作物的生長速度。

在這兩項發(fā)表在Cell期刊上的研究中，研究人員報道了藻類用來收集和濃縮二氧化碳的二氧化碳濃縮機制（CO2-concentrating mechanism, CCM）的詳細目錄。二氧化碳濃縮機制位于被稱作蛋白核（pyrenoid）的細胞器中。他們也發(fā)現(xiàn)當藻類細胞分裂時，*被認為是固體結構的pyrenoid實際上像液滴一樣能夠溶解到周圍的細胞基質(zhì)中。
這兩項研究的、美國普林斯頓大學分子生物學助理教授Martin Jonikas說，“理解藻類如何能夠濃縮二氧化碳是實現(xiàn)改善其他植物中的光合作用的關鍵一步。如果我們能夠設計出其他的作物來濃縮碳，那么我們可能解決*不斷增長的糧食需求。”
水生藻類和少數(shù)其他的植物已產(chǎn)生提高光合作用速率的二氧化碳濃縮機制。植物利用光合作用將二氧化碳和陽光轉化為生長所需的糖分子。所有植物利用一種被稱作核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的酶將二氧化碳“固定”到能夠被植物使用或儲存的糖分子中。
相對于很多陸地植物，藻類具有優(yōu)勢，這是因為它們在pyrenoid內(nèi)聚集著Rubisco酶，在那里，這些酶會遇到從空氣中吸收到的高濃度的二氧化碳。有更多的二氧化碳在周圍允許Rubisco酶更快地工作。
在*項新的研究中，來自美國卡內(nèi)基科學研究所、斯坦福大學、加州大學舊金山分校和普林斯頓大學的研究人員對參與一種被稱作萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的單細胞藻類中的二氧化碳濃縮機制的蛋白進行廣泛地搜索。利用他們開發(fā)的用來快速地標記和評估藻類蛋白的技術，他們鑒定出每種蛋白的位置和功能，詳細地描述了這些蛋白之間的物理相互作用，從而構建出蛋白核“相互作用組（interactome）”。相關研究結果發(fā)表在2017年9月21日的Cell期刊上，論文標題為“A Spatial Interactome Reveals the Protein Organization of the Algal CO2-Concentrating Mechanism”。
這一搜索揭示出89種新的pyrenoid蛋白，包括這些研究人員認為將二氧化碳導入到pyrenoid中的蛋白和pyrenoid形成所必需的其他蛋白。他們也鑒定出像洋蔥那樣包圍著細胞器pyrenoid的三種之前不為人所知的層狀結構。論文*作者Luke Mackinder博士說，“這些信息代表著迄今為止對這種至關重要的二氧化碳濃縮機制是如何組裝的評估，并且為探索它的工作方式提供了新的途徑。”
在第二項新的研究中，來自美國卡內(nèi)基科學研究所、斯坦福大學、普林斯頓大學和德國馬克斯普朗克生物化學研究所的研究人員報道*被認為是固體結構的pyrenoid實際上是液體狀的。在之前的研究中使用的技術需要人們在進行成像之前殺死和化學保護萊茵衣藻。在這項新的研究中，這些研究人員利用黃色熒光蛋白對Rubisco酶進行標記，能夠對活的萊茵衣藻進行成像。相關研究結果發(fā)表在2017年9月21日的Cell期刊上，論文標題為“The Eukaryotic CO2-Concentrating Organelle Is Liquid-like and Exhibits Dynamic Reorganization”。
在觀察萊茵衣藻時，Mackinder和當時為卡內(nèi)基科學研究所研究生的Elizabeth Freeman Rosenzweig利用一種高能激光摧毀了一半pyrenoid中的這種熒光標記，而讓另外一半pyrenoid中的這種熒光標記保持完整。在幾分鐘內(nèi)，這種熒光被重新分配到整個pyrenoid中，這就表明這些Rubisco酶正如它們在液體中那樣很容易移動。
馬克斯普朗克生物化學研究所博士后研究員Benjamin Engel博士利用另一種被稱作冷凍電子斷層掃描（cryo-electron tomography）的成像技術進一步探究了這一發(fā)現(xiàn)。他凍存并制備了完整的藻類細胞，隨后利用電子顯微鏡對它們進行成像。這種電子顯微鏡是如此靈敏以至于它能夠解析出單個分子的結構。
這種技術使得Engel能夠在納米分辨率下三維地可視化觀察pyrenoid。通過將獲得的pyrenoid圖片與液體系統(tǒng)的那些圖片進行比較，這些研究人員證實pyrenoid像液體那樣進行組裝。Engel說，“這項研究罕見地將經(jīng)典遺傳學方法、細胞生物學方法和高分辨率成像技術結合在一起。”
這一研究使得這些研究人員想要知道當這種單細胞藻類通過細胞分裂產(chǎn)生兩個子細胞時，pyrenoid如何被傳遞到下一代。Freeman Rosenzweig注意到pyrenoid有時不能夠分裂，從而讓一個子細胞不存在pyrenoid。 
利用這種黃色熒光蛋白，這些研究人員觀察到?jīng)]有接受到一半pyrenoid的子細胞事實上仍然能夠自動地形成pyrenoid。他們發(fā)現(xiàn)每個子細胞接受到一定數(shù)量的以可溶性的狀態(tài)存在的pyrenoid，而且這些幾乎不能夠檢測到的組分能夠濃縮成成熟的pyrenoid。
Jonikas說，“我們認為在細胞分裂之前的pyrenoid溶解和細胞分裂之后的濃縮可能一種冗余機制以確保兩個子細胞都獲得pyrenoid。這樣一來，兩個子細胞將具有這種關鍵的對碳吸收至關重要的細胞器。”
為了進一步探究這是如何發(fā)生的，Jonikas與普林斯頓大學生命科學與分子生物學教授Ned Wingreen合作開展研究。Wingreen和他的團隊對Rubisco酶與另一種被稱作EPYC1的蛋白之間的相互作用進行了計算機模擬。Mackinder和Jonikas團隊的其他成員已發(fā)現(xiàn)EPYC1在pyrenoid中發(fā)揮著至關重要的作用：它像膠水一樣將多個Rubisco酶粘在一起。
這種計算機模擬提示著pyrenoid的狀態(tài)---無論是濃縮的液滴還是溶解到周圍的區(qū)室中---取決于EPYC1表面上的結合位點數(shù)量。在這種模擬中，Rubisco酶具有8個結合位點，或者說EPYC1能夠?？吭谝粋€Rubisco酶上的8個地方。如果EPYC1有4個結合位點，那么兩個EPYC1恰好填滿了一個Rubisco的所有?？奎c，反之亦然。鑒于這些充分結合的Rubisco-EPYC1復合物較小，它們形成一種可溶性狀態(tài)。但是，如果EPYC1具有3或5個結合位點，那么它不能夠填充一個Rubisco酶上的所有?？课稽c。結果就是一堆Rubisco和EPYC1形成液滴。
這種pyrenoid系統(tǒng)的相位變化取決于EPYC1與Rubisco結合位點的比例，這被認為是一種“魔術數(shù)字（magic number）”效應。這一術語通常在物理學中被用來描述特定數(shù)量的粒子形成一種非常穩(wěn)定的狀態(tài)所需的條件。Wingreen說，“這些魔術數(shù)字除了在pyrenoid系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用之外，可能也在高分子物理學領域和潛在地在合成生物學領域發(fā)揮著作用。”
Jonikas和Wingreen正在繼續(xù)開展他們的合作研究，并且希望在理論上探究Rubisco酶和EPYC1的不同靈活性和構象，以及在實驗上將這兩種蛋白都放入到試管中，操縱它們的結合位點數(shù)量，以便進一步推進這個項目。
Jonikas說，“以前的想法是它們具有更多的結合位點，這些蛋白就越傾向于聚集在一起。這種存在魔術數(shù)字效應的發(fā)現(xiàn)不僅對pyrenoid比較重要，而且可能對自然界中發(fā)現(xiàn)的許多其他類似液體的細胞器也很重要。”