在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和密歇根州立大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員提供有史以來(lái)一種完整的被稱(chēng)作細(xì)菌微區(qū)室（bacterial microcompartments, BMC）的細(xì)胞器的最為清晰的圖片，從而揭示出這種細(xì)胞器的蛋白外殼（protein shell）在原子水平分辨率下的結(jié)構(gòu)和組裝過(guò)程。他們研究的這種細(xì)胞器的蛋白外殼來(lái)自一種生活在海洋中的粘細(xì)菌，即赭黃嗜鹽囊菌（Haliangium ochraceum）。這種完整的細(xì)菌細(xì)胞器蛋白外殼的結(jié)構(gòu)圖有助提供用于抵抗致病菌或出于有益目的對(duì)細(xì)菌細(xì)胞器進(jìn)行生物改造的重要信息。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2017年6月23日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Assembly principles and structure of a 6.5-MDa bacterial microcompartment shell”。

來(lái)自美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和密歇根州立大學(xué)的研究人員首次獲得原子水平的完整細(xì)菌微區(qū)室結(jié)構(gòu)圖。圖片來(lái)自Markus Sutter/Berkeley Lab and MSU。  

這些細(xì)菌微區(qū)室的共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是位于這種微區(qū)室中心的酶被一種選擇性通透蛋白外殼包裹著。一些突出的例子包括用于二氧化碳固定的羧酶體（carboxysome）和在很多致病性細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的分解代謝微區(qū)室。

論文通信作者、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Cheryl Kerfeld注意到，這些細(xì)胞器被一些細(xì)菌用來(lái)固定二氧化碳。理解這種微區(qū)室的蛋白外殼是如何組裝的，以及它如何讓一些化合物通過(guò)同時(shí)阻擋其他的化合物，可能有助開(kāi)展改善碳固定---更寬泛的說(shuō)，生物能源---的研究。這類(lèi)細(xì)胞器也有助很多致病性細(xì)菌代謝正常的非致病性細(xì)菌不能夠代謝的化合物，從而讓它們具有一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

這些研究人員注意到，這些細(xì)胞器的內(nèi)含物決定著它們的特定功能，但是細(xì)菌微區(qū)室的蛋白外殼整體結(jié)構(gòu)基本上都是一樣的。這種微區(qū)室蛋白外殼提供一種選擇性通透屏障，從而將在它的內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)與細(xì)胞的其余部分分隔開(kāi)。這能夠讓多步驟反應(yīng)更加高效地發(fā)生，阻止不想要的干擾，并且對(duì)這些密封的反應(yīng)可能產(chǎn)生的有毒化合物進(jìn)行限制。

不同于真核細(xì)胞的質(zhì)膜，細(xì)菌微區(qū)室具有由蛋白組成的多面體殼。

論文第一作者、密歇根州立大學(xué)高級(jí)研究助理、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分子生物物理學(xué)與整合成像部門(mén)科學(xué)家Markus Sutter說(shuō)，“對(duì)質(zhì)膜而言，存在膜蛋白讓分子通過(guò)。對(duì)細(xì)菌微區(qū)室而言，這種多面體殼是由蛋白組成的，因此細(xì)菌微區(qū)室的殼蛋白不僅具有結(jié)構(gòu)上的作用，而且它們也負(fù)責(zé)底物選擇性通過(guò)這種蛋白外殼。”

早期的研究已揭示出組成這種細(xì)菌微區(qū)室蛋白外殼的單個(gè)組分，但是對(duì)整個(gè)細(xì)胞器進(jìn)行成像是充滿挑戰(zhàn)的，這是因?yàn)樗哂休^大的大約6.5兆道爾頓（MDa）的分子量。

這些研究人員能夠展示5種不同的蛋白如何形成三種不同的形狀：六邊形、五邊形和一對(duì)堆疊在一起的六邊形，它們一起組裝成一種二十面體外殼。

這些研究人員說(shuō)，通過(guò)利用這篇論文中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們能夠設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究分子如何通過(guò)這種蛋白外殼的機(jī)制，以及構(gòu)建定制的細(xì)胞器用于碳捕獲，或者制造有價(jià)值的化合物。

原標(biāo)題：Science：首次從結(jié)構(gòu)上揭示細(xì)菌細(xì)胞器如何組裝