Карбоксисома

Слева карбоксисомы под электронным микроскопом, а справа её модель

Карбоксисомы — микрокомпартменты в клетках бактерий, часто содержащие фиксирующие углерод ферменты. Они представляют собой многогранные однослойные белковые тела. Карбоксисомы являются примером большой группы микрокомпартментов, имеющих разные функции, но сходное строение, основанное на гомологии двух семейств мембранных белков.^[1] Иногда в карбоксисомах в небольших количествах содержится ДНК. Карбоксисомы отсутствуют в гетероцистах цианобактерий.

История открытия

(A) Электронная микрофотография клеток Halothiobacillus neapolitanus с карбоксисомами. (B) Изображение неповреждённых изолированных карбоксисом из H. neapolitanus. Размер масштабного шриха 100 нм.

Первые карбоксисомы были обнаружены при помощи электронной микроскопии в 1956 году у цианобактерии Phormidium uncinatum^[2][3], а позже в 1960-х сходные многогранные объекты были обнаружены и у других цианобактерий^[4]. В 1961 году эти структуры были названы полиэдральными телами и в последующие несколько лет они были открыты у некоторых хемотрофных бактерий, которые фиксируют диоксид углерода (например Halothiobacillus, Acidithiobacillus, Nitrobacter и Nitrococcus)

В чистом виде карбоксисомы были впервые выделены из Thiobacillus neapolitanus в 1973, после чего в них было показано наличие рибулозодифосфаткарбоксилазы.^[5] Авторы предложили, поскольку эти органеллы, по-видимому, вовлечены в фиксацию углерода, назвать их карбоксисомы.^[6] Согласно последним данным карбоксисомы имеются у всех цианобактерий, некоторых нитрифицирующих бактерий, а также у тиобацилл.^[2]

Архитектура

Типичная субъединица мембраны карбоксисомы из Prochlorococcus marinus

Структурно карбоксисомы являются двадцатигранниками, или квази-икосаэдрами, обычно приблизительно 90—500 нанометров в диаметре. Карбоксисома имеет внешнюю мембрану, состаящую из нескольких тысяч субъединиц белка, который заключает в капсулу два углерод-фиксирующих фермента, углерод ангидразу и рибулозодифосфаткарбоксилазу.^[7] Белок, который составляет большую часть мембраны, формирует шестиугольник. Эти шестиугольники составляют основные стандартные блоки мембраны. Рентгенокристаллографический анализ показал, что далее эти шестиугольники формируют внешнюю оболочку. В шестиугольниках есть маленькие поры, которые могут служить для облегчённой диффузии субстрата (бикарбоната и рибулозо-1,5-дифосфата), а также продуктов реакции (3-фосфоглицерат). Другие малочисленные компоненты представляют собой пятиугольные белки, располагающиеся по углам икосаэдра.

Существует два вида карбоксисом: α-карбоксисомы и β-карбоксисомы, которые отличаются по своему белковому составу. Например, цианобактерии с α-карбоксисомами обитают в среде, где количество растворённого углекислого газа не ограничено (например, олиготрофные океанические воды), в то время как цианобактерии с β-карбоксисисомами обитают там, где растворённый углекислый газ в среде лимитирован (бактериальные маты, эстуарии рек, и в щелочные озера с высокой плотностью фотосинтезирующих организмов). ^[8][9]

Свойства и функции в клетке

Ввиду малой исследованности окончательно не выяснено, является ли углеродофиксирующий фермент в карбоксисомах активным или представляет собой законсервированную неактивную форму. В таком случае они могут играть роль в поддержании внутри клетки постоянной концентрации фермента. Происходит ли фиксация углерода непосредственно в самих карбоксисомах, на данный момент также не выяснено.

Помимо Рубиско карбоксисомы содержат энзим углерод ангидразу, которая превращает HCO₃⁻ в углекислый газ, форму углерода, которую может фиксировать Рубиско. Бикарбонат (HCO₃⁻) транспортируется в клетку, а затем в карбоксисомы. Там углерод ангидраза превращает HCO₃⁻ в CO₂, который фиксируется Рубиско в виде 3-фосфоглицерата. Количество клеток, содержащих карбоксисомы, увеличивается по мере того, как количество неорганического углерода(HCO₃⁻, CO₂) в среде уменьшается.^[8][10]

Микрофотография части клетки Anacystis nidulans на которой видны тилакоиды в хроматоплазме, нити ДНК, рибосомы и длинная карбоксисома, занимающая центральное положение в цитоплазме. Длина штриха = 0.5 микрон

Помимо обычных карбоксисом, содержащих углеродфиксирующие ферменты, существует по крайней мере семь видов этих вирусоподобных структур, выполняющих различные функции. Некоторые из них были найдены у не фотосинтезирующих бактерий, где они были вовлечены в различные каталитические реакции, связанные с выделением углерода, метаболизмом азота и получение энергии. Так, например, Escherichia coli, Klebsiella, Clostridium, Fusobacterium, Shigella, Listeria и Yersinia используют такие микрокомпартменты для выделения углерода с целью получения энергии, разлагая 1,2-пропандиол, этаноламин или оба эти вещества.^[11] Примечателен также факт, что образование карбоксисом у бактерий происходит в момент заражения животных или человека, что прямо указывает на их связь с патогенностью микроорганизма.

Косвенно значение карбоксисом для клетки подтвердили исследования Памэлы Сильвер (Pamela Silver) из Гарвардской медицинской школы и её коллег. Они пометили карбоксисомы в цианобактериях молекулами зелёного флюоресцентного белка и обнаружили, что карбоксисомы располагаются по прямым линиям, что способствует их равному распределению при делении клетки. Процессом выстраивания в клетки руководит ген одного из белков клеточного скелета ParA. Белок ParA имеется и у множества других видов бактерий, где он разделяет хромосомы в процессе деления клеток. С пониженным уровнем ParA у цианобактерий снижается сопротивляемость внешним воздействиям. В клетках «нормальных» бактерий число карбоксисом постоянно, что оптимизирует переработку диоксида углерода и повышает сопротивляемость неблагоприятным воздействиям. Бактерии с низким уровнем белка ParA производят дочерние клетки, полностью без карбоксисом или с их избыточным количеством. Клетки лишённые карбоксимсом оказываются нежизнеспособными и быстро погибают. Клетки с недостаточным количеством белков или без них не только делятся медленнее и перерабатывают на 50 % меньше углекислого газа по сравнению с дочерними клетками с избытком белка. Кроме того, гарвардские учёные обратили внимание на интересную динамику развития белка ParA в «ненормальных» клетках. Тысячи белков снова и снова собираются вместе и очень быстро передвигаются из одного конца бактерии в другой.^[12]

Значение в эволюции микроорганизмов

Многие вирусные капсиды а также состоят из шестиугольных и пятиугольных белков. Исследования методом электронной крио-томографии подтвердили приблизительно двадцатигранную геометрию карбоксисомы, и визуализировали молекулы ферментов внутри, расположенные в нескольких концентрических слоях.^[13][14] Кроме того, не двадцатигранные формы некоторых карбоксисом можно объяснить в пределах вариации теории гетерогенных тонких мембран.^[15]

Поскольку карбоксисомы структурно весьма схожи по внешнему виду и строению, существуют три теории относительно их эволюционной связи с вирусами. Первая теория — конвергентной эволюции — утверждает, что сходство между капсидом вируса и карбоксисомой объясняется удобством геометрической формы для процесса самосборки, и, следовательно, обе структуры возникли независимо друг от друга. Вторая теория — дивергентной эволюции — утверждает, что карбоксисомы являются остатками капсидов вирусов бактериофогов, ассимилированых клеткой и перешедших к симбиозу. В целом эта теория весьма схожа с эндосимботической гипотезой для эукариот. В поддержку этой гипотезы говорят данные о том, что многие жизненноважные функции, часто связанные с патогенностью бактерий, определяются генами бактериофагов. В их число входят: токсин шига синтезируемый фагами Escherichia coli, гены фагов у Streptococcus mitis, кодирующие протеин, необходимый для прикрепления к кровяным тельцам и клапанам сердца, а внутренние фаги Salmonella enterica помогают хозяину избегать противобактериальной защиты эукариотических клеток и т. д.^[11] Таким образом дальнейшее исследование микрокомпартментов может привести к пониманию совместной эволюции бактерий и вирусов, а также дать новый взгляд на эволюцию микроорганизмов в целом. Третья теория — консервативная — утверждает, что вирусы являются карбоксисомами, захватившими ДНК исходной клетки и обретшие в процессе её разрушения самостоятельность.

Ещё один интересный вопрос: существуют ли сходные структуры в эукариотических органеллах, эволюционировавших из бактериальных. Однако пока исследования не обнаружили вирусоподобных частиц в эукариотических клетках.^[11]

Применение в биотехнологии

Карбоксисомы могут оказаться весьма полезны для выведения бактерий, продуцирующих водород. Эта задача весьма осложняется тем, что ферменты этих бактерий чрезвычайно чувствительны к кислороду, а внутри карбоксисом ферменты, по-видимому, защищены от его пагубного воздействие. Таким образом создание учёными искусственных карбоксисом решило бы многие энергетические проблемы.

Ссылки

1. ↑ Cannon GC, Bradburne CE, Aldrich HC, Baker SH, Heinhorst S, Shively JM (2001). «Microcompartments in Prokaryotes: Carboxysomes and Related Polyhedra». Appl. Environ. Microbiol. 67 (12): 5351–61. DOI:10.1128/AEM.67.12.5351-5361.2001. PMID 11722879.
2. ↑ ^{1 2} Yeates TO, Kerfeld CA, Heinhorst S, Cannon GC, Shively JM (August 2008). «Protein-based organelles in bacteria: carboxysomes and related microcompartments». Nat. Rev. Microbiol. 6 (9): 681–691. DOI:10.1038/nrmicro1913. PMID 18679172.
3. ↑ Drews G, Niklowitz W (1956). «[Cytology of Cyanophycea. II. Centroplasm and granular inclusions of Phormidium uncinatum.]» (German). Arch Mikrobiol 24 (2): 147–62. PMID 13327992.
4. ↑ Gantt E, Conti SF (1 March 1969). «Ultrastructure of Blue-Green Algae». J. Bacteriol. 97 (3): 1486–93. PMID 5776533.
5. ↑ Shively JM, Ball F, Brown DH, Saunders RE (November 1973). «Functional organelles in prokaryotes: polyhedral inclusions (carboxysomes) of Thiobacillus neapolitanus». Science 182 (112): 584–6. DOI:10.1126/science.182.4112.584. PMID 4355679.
6. ↑ Shively JM, Ball FL, Kline BW (1 December 1973). «Electron Microscopy of the Carboxysomes (Polyhedral Bodies) of Thiobacillus neapolitanus». J. Bacteriol. 116 (3): 1405–11. PMID 4127632.
7. ↑ Kerfeld, CA, Sawaya, MR, Tanaka S, Nguyen CV, Phillips M, Beeby M, Yeates TO (2005). «Protein structures forming the shell of primitive bacterial organelles». Science 309 (5736): 936–8. DOI:10.1126/science.1113397. PMID 16081736.
8. ↑ ^{1 2} Phycology Fourth edition by Robert Edward Lee; Colorado State University, USA
9. ↑ (Badger et al., 2002).
10. ↑ (Winkenbach and Wolk, 1973)
11. ↑ ^{1 2 3} Not so simple after all. A renaissance of research into prokaryotic evolution and cell structure by Philip Hunter Not so simple
12. ↑ Plot of Bacterial Factories Advances Blueprint for Clean Energy by Elizabeth Dougherty Thinking Small
13. ↑ Schmid MF, Paredes AM, Khant HA, Soyer F, Aldrich HC, Chiu W, Shively JM (2006). «Structure of Halothiobacillus neapolitanus Carboxysomes by Cryo-Electron Tomography». J. Mol. Biol. 364 (3): 526–35. DOI:10.1016/j.jmb.2006.09.024. PMID 17028023.
14. ↑ Iancu CV, Ding HJ, Morris DM, Dias DP, Gonzales AD, Martino A, Jensen GJ (2007). «The Structure of Isolated Synechococcus Strain WH8102 Carboxysomes as Revealed by Electron Cryotomography». J. Mol. Biol. 372 (3): 764–73. DOI:10.1016/j.jmb.2007.06.059. PMID 17669419.
15. ↑ Vernizzi G, Sknepnek R, Olvera de la Cruz M (2011). «Platonic and Archimedean geometries in multicomponent elastic membranes». Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108 (11): 4292–4296. DOI:10.1073/pnas.1012872108. PMID 21368184.