Un gruppo di ricerca guidato dall’Università della Scienza e della Tecnologia di Hong Kong (HKUST) ha scoperto come funzionano i carbossisomi, strutture che fissano il carbonio presenti in alcuni batteri e alghe. La svolta potrebbe aiutare gli scienziati a riprogettare e riutilizzare le strutture per consentire alle piante di convertire la luce solare in più energia, aprendo la strada a una migliore efficienza della fotosintesi, aumentando potenzialmente l'offerta alimentare globale e mitigando il riscaldamento globale.
I carbossisomi sono minuscoli compartimenti di alcuni batteri e alghe che racchiudono particolari enzimi in un guscio fatto di proteine. Eseguono la fissazione del carbonio, che è il processo di conversione dell'anidride carbonica dall'atmosfera in composti organici che possono essere utilizzati dalla cellula per la crescita e l'energia. Gli scienziati hanno cercato di capire come questi compartimenti si uniscono.
Nella loro ultima ricerca, il team guidato dal Prof. Zeng Qinglu, professore associato presso il Dipartimento di scienze oceaniche dell'HKUST, ha mostrato l'architettura complessiva dei carbossisomi purificati da un tipo di batteri chiamato Proclorococco.
In collaborazione con il Prof. Zhou Cong-Zhao della School of Life Sciences dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina, il team ha superato una delle maggiori difficoltà tecniche nella rottura e contaminazione delle cellule, che impedirebbe la corretta purificazione dei carbossisomi. Il team propone anche un modello di assemblaggio completo dell'α-carbossisoma, che non è stato osservato in studi precedenti.
La loro ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Plants .
Il team ha utilizzato specificamente la microscopia crioelettronica a singola particella per determinare la struttura dell’α-carbossisoma e caratterizzare il modello di assemblaggio del guscio proteico, che assomiglia a una forma a 20 lati con proteine specifiche disposte sulla sua superficie. Per ottenere la struttura dell'α-carbossisoma minimo con un diametro di 86 nm, hanno raccolto oltre 23.400 immagini prese dal microscopio presso il Centro biologico Cryo-EM HKUST e hanno raccolto manualmente circa 32.000 particelle di α-carbossisoma intatte per l'analisi.
All'interno, gli enzimi RuBisCO sono disposti in tre strati concentrici e il gruppo di ricerca ha anche scoperto che una proteina chiamata CsoS2 aiuta a tenere tutto insieme all'interno del guscio. Infine, i risultati suggeriscono che i carbossisomi vengono assemblati dall’esterno verso l’interno. Ciò significa che la superficie interna del guscio è rafforzata da alcune parti della proteina CsoS2, mentre altre parti della proteina attraggono gli enzimi RuBisCO e li organizzano in strati.
Una delle applicazioni più promettenti del carbossisoma è nella biologia sintetica delle piante, dove l'introduzione del carbossisoma nei cloroplasti vegetali come CO2 -il meccanismo di concentrazione può migliorare l'efficienza fotosintetica e la resa del raccolto.
"Il nostro studio svela il mistero dell'assemblaggio dell'α-carbossisoma del Proclorococco, fornendo così nuove informazioni sul ciclo globale del carbonio", afferma il prof. Zeng.
I risultati saranno importanti anche per rallentare il riscaldamento globale, spiega, poiché i cianobatteri marini fissano il 25% della CO2 globale. . "La nostra comprensione della CO2 il meccanismo di fissazione dei cianobatteri marini ci consentirà di migliorare la loro CO2 tasso di fissazione in modo che più CO2 possono essere rimossi dall'atmosfera", afferma.
A seguito di questo studio, il team prevede di introdurre l'α-carbossisoma del Proclorococco nei cloroplasti delle piante e di indagare se l'α-carbossisoma minimo può migliorare l'efficienza fotosintetica nelle piante. Hanno inoltre in programma di modificare i geni del carbossisoma e creare super cianobatteri geneticamente modificati in grado di fissare l'anidride carbonica a velocità molto elevate, il che potrebbe rallentare il riscaldamento globale.
Ulteriori informazioni: Rui-Qian Zhou et al, Struttura e assemblaggio dell'α-carbossisoma nel cianobatterio marino Proclorococco, Piante naturali (2024). DOI:10.1038/s41477-024-01660-9
Informazioni sul giornale: Piante naturali
Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia di Hong Kong
