Blauwdruk voor de koolstofvastleggende nanomachines van de natuur effent de weg voor bio-engineering en klimaatinnovatie

Onderzoekers van de Universiteit van Liverpool en Newcastle hebben ontdekt hoe bacteriële organellen zich assembleren, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor bio-engineering en klimaatinnovatie.

Het samenwerkingsteam heeft het meest gedetailleerde beeld tot nu toe onthuld van hoe bacteriën microscopisch kleine compartimenten construeren die bekend staan ​​als carboxysomen: natuurlijke nanomachines die een cruciale rol spelen bij het opvangen en omzetten van koolstofdioxide (CO₂).

De studie maakt gebruik van geavanceerde structurele biologische technieken om al lang bestaande mysteries rond een van de belangrijkste enzymen van het carboxysoom, koolzuuranhydrase, op te lossen. De bevindingen kunnen toekomstige ontwikkelingen op het gebied van biotechnologie, landbouw en duurzaam materiaalontwerp informeren.

Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Carboxysomen zijn op eiwitten gebaseerde organellen die veel bacteriën helpen gedijen in omgevingen waar CO₂ schaars is. Door CO₂ te concentreren en om te zetten in bruikbare vormen, spelen ze een centrale rol in de mondiale koolstofcyclus. Maar ondanks tientallen jaren van onderzoek hebben wetenschappers moeite om precies te begrijpen hoe koolzuuranhydrase precies is gestructureerd, geassembleerd en gepositioneerd in deze nanoscopische compartimenten.

Met behulp van cryo-elektronenmicroscopie met één deeltje heeft het team het koolzuuranhydrase-enzym (CsoSCA) van de modelbacterie Halothiobacillus neapolitanus met een bijna atomaire resolutie vastgelegd. Ze ontwikkelden ook synthetische ‘mini-shells’ – in een laboratorium gebouwde versies van carboxysoomshells – om te testen hoe het enzym wordt gerekruteerd en georganiseerd in deze eiwitkooien.

Hun resultaten laten zien dat het enzym een ​​ongebruikelijke hexamere (zesdelige) structuur vormt en wordt ingekapseld door flexibele, niet-specifieke interacties met schaaleiwitten – wat eerdere aannames uitdaagt dat een specifiek linkereiwit nodig was. Opmerkelijk genoeg bleek ook dat een deel van het enzym een ​​interactie aanging met Rubisco, een ander cruciaal CO₂-fixerend enzym, wat duidt op een modulair ‘toolkit’-ontwerp dat bacteriën kunnen gebruiken om hun machines voor het opvangen van koolstof te optimaliseren.

De onderzoekers stellen een nieuw model voor de organisatie van carboxysomen voor, dat een duidelijker beeld biedt van hoe enzymen ruimtelijk worden gecoördineerd voor maximale efficiëntie. Dit inzicht verdiept niet alleen het begrip van het microbiële metabolisme, maar opent ook de deur naar de ontwikkeling van synthetische carboxysomen voor praktisch gebruik.

Mogelijke toepassingen zijn onder meer het verbeteren van de CO₂-fixatie in gewassen om de opbrengsten te verbeteren, het creëren van designer nanomaterialen voor katalyse of biosensoren, en het ontwikkelen van nieuwe bio-geïnspireerde technologieën voor koolstofafvang.

Het team merkt echter op dat sommige aspecten van de enzymassemblage zijn afgeleid van synthetische systemen, wat betekent dat het dynamische gedrag van koolzuuranhydrase in levende cellen kan verschillen. Toekomstig onderzoek zal gebruik maken van geavanceerde beeldvormings- en moleculaire engineeringtechnieken om deze modellen te verfijnen en verbeterde kunstmatige omhulsels te ontwikkelen die in staat zijn hoge concentraties katalytische enzymen in te kapselen.

Professor Luning Liu, voorzitter van microbiële bio-energetica en bio-engineering aan de Universiteit van Liverpool en hoofdauteur van de studie, zei: “Door te visualiseren hoe de natuur deze kleine koolstoffixerende fabrieken bouwt, kunnen we beginnen ze te repliceren en opnieuw te ontwerpen voor een reeks duurzame technologieën. Het is een opwindende stap voorwaarts voor synthetische biologie en milieu-innovatie. “

Dr. Jon Marles-Wright, co-auteur en academisch hoofd voor Elektronenmicroscopie aan de Universiteit van Newcastle zei: “Deze opwindende structurele inzichten in carboxysomen werden mogelijk gemaakt dankzij de toegang tot elektronenmicroscopiefaciliteiten aan de Universiteit van York en de nationale cryo-EM-faciliteit bij eBIC.”

Dit nieuwste werk benadrukt hoe structurele biologie de verborgen architectuur van de kleinste machines van het leven kan belichten – en hoe deze inzichten op een dag kunnen helpen enkele van de grootste uitdagingen van de planeet aan te pakken.