兩項關(guān)于綠藻的新研究揭示了這些有機(jī)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?？焖俚厣L的一種關(guān)鍵因素）的新認(rèn)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(jī)制（CO2-concentrating mechanism, CCM）的詳細(xì)目錄。二氧化碳濃縮機(jī)制位于被稱作蛋白核（pyrenoid）的細(xì)胞器中。他們也發(fā)現(xiàn)當(dāng)藻類細(xì)胞分裂時，*被認(rèn)為是固體結(jié)構(gòu)的pyrenoid實際上像液滴一樣能夠溶解到周圍的細(xì)胞基質(zhì)中。
這兩項研究的、美國普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)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(guān)鍵一步。如果我們能夠設(shè)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(jī)制。植物利用光合作用將二氧化碳和陽光轉(zhuǎn)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(xué)研究所、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)舊金山分校和普林斯頓大學(xué)的研究人員對參與一種被稱作萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的單細(xì)胞藻類中的二氧化碳濃縮機(jī)制的蛋白進(jìn)行廣泛地搜索。利用他們開發(fā)的用來快速地標(biāo)記和評估藻類蛋白的技術(shù)，他們鑒定出每種蛋白的位置和功能，詳細(xì)地描述了這些蛋白之間的物理相互作用，從而構(gòu)建出蛋白核“相互作用組（interactome）”。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年9月21日的Cell期刊上，論文標(biāo)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(rèn)為將二氧化碳導(dǎo)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(xì)胞器pyrenoid的三種之前不為人所知的層狀結(jié)構(gòu)。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(guān)重要的二氧化碳濃縮機(jī)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(xué)研究所、斯坦福大學(xué)、普林斯頓大學(xué)和德國馬克斯普朗克生物化學(xué)研究所的研究人員報道*被認(rèn)為是固體結(jié)構(gòu)的pyrenoid實際上是液體狀的。在之前的研究中使用的技術(shù)需要人們在進(jìn)行成像之前殺死和化學(xué)保護(hù)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(jìn)行標(biāo)記，能夠?qū)畹娜R茵衣藻進(jìn)行成像。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年9月21日的Cell期刊上，論文標(biāo)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(dāng)時為卡內(nèi)基科學(xué)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(biāo)記，而讓另外一半pyrenoid中的這種熒光標(biāo)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(xué)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(shù)進(jìn)一步探究了這一發(fā)現(xiàn)。他凍存并制備了完整的藻類細(xì)胞，隨后利用電子顯微鏡對它們進(jìn)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(jié)構(gòu)。
這種技術(shù)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(jìn)行比較，這些研究人員證實pyrenoid像液體那樣進(jìn)行組裝。Engel說，“這項研究罕見地將經(jīng)典遺傳學(xué)方法、細(xì)胞生物學(xué)方法和高分辨率成像技術(shù)結(jié)合在一起。”
這一研究使得這些研究人員想要知道當(dāng)這種單細(xì)胞藻類通過細(xì)胞分裂產(chǎn)生兩個子細(xì)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(xì)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(xì)胞事實上仍然能夠自動地形成pyrenoid。他們發(fā)現(xiàn)每個子細(xì)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(rèn)為在細(xì)胞分裂之前的pyrenoid溶解和細(xì)胞分裂之后的濃縮可能一種冗余機(jī)制以確保兩個子細(xì)胞都獲得pyrenoid。這樣一來，兩個子細(xì)胞將具有這種關(guān)鍵的對碳吸收至關(guān)重要的細(xì)胞器。”
為了進(jìn)一步探究這是如何發(fā)生的，Jonikas與普林斯頓大學(xué)生命科學(xué)與分子生物學(xué)教授Ned Wingreen合作開展研究。Wingreen和他的團(tuán)隊對Rubisco酶與另一種被稱作EPYC1的蛋白之間的相互作用進(jìn)行了計算機(jī)模擬。Mackinder和Jonikas團(tuán)隊的其他成員已發(fā)現(xiàn)EPYC1在pyrenoid中發(fā)揮著至關(guān)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(jī)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(jié)合位點數(shù)量。在這種模擬中，Rubisco酶具有8個結(jié)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(jié)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(jié)合的Rubisco-EPYC1復(fù)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(jié)合位點，那么它不能夠填充一個Rubisco酶上的所有停靠位點。結(jié)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(jié)合位點的比例，這被認(rèn)為是一種“魔術(shù)數(shù)字（magic number）”效應(yīng)。這一術(shù)語通常在物理學(xué)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(shù)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(xué)領(lǐng)域和潛在地在合成生物學(xué)領(lǐng)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(gòu)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(jié)合位點數(shù)量，以便進(jìn)一步推進(jìn)這個項目。
Jonikas說，“以前的想法是它們具有更多的結(jié)合位點，這些蛋白就越傾向于聚集在一起。這種存在魔術(shù)數(shù)字效應(yīng)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(xì)胞器也很重要。”