Les carboxysomes sont de minuscules compartiments présents dans certaines bactéries et algues qui renferment des enzymes particulières dans une coque constituée de protéines. Ils effectuent la fixation du carbone, qui est le processus de conversion du dioxyde de carbone de l'atmosphère en composés organiques pouvant être utilisés par la cellule pour sa croissance et son énergie. Les scientifiques ont essayé de comprendre comment ces compartiments s'assemblent.

Dans leurs dernières recherches, l'équipe dirigée par le professeur Zeng Qinglu, professeur agrégé au département des sciences océaniques de la HKUST, a montré l'architecture globale des carboxysomes purifiés à partir d'un type de bactérie appelée Prochlorococcus.

En collaboration avec le professeur Zhou Cong-Zhao de l'École des sciences de la vie de l'Université des sciences et technologies de Chine, l'équipe a surmonté l'une des plus grandes difficultés techniques liées à la rupture et à la contamination des cellules, qui empêcherait la purification appropriée des carboxysomes. L'équipe propose également un modèle d'assemblage complet de l'α-carboxysome, qui n'a pas été observé dans les études précédentes.

Leurs recherches sont publiées dans la revue Nature Plants. .

L’équipe a spécifiquement utilisé la microscopie cryoélectronique à particule unique pour déterminer la structure de l’α-carboxysome et caractériser le modèle d’assemblage de la coque protéique, qui ressemble à une forme à 20 côtés avec des protéines spécifiques disposées à sa surface. Pour obtenir la structure de l'α-carboxysome minimal d'un diamètre de 86 nm, ils ont collecté plus de 23 400 images prises au microscope du centre biologique Cryo-EM de HKUST et ont sélectionné manuellement environ 32 000 particules d'α-carboxysome intactes pour analyse.

À l’intérieur, les enzymes RuBisCO sont disposées en trois couches concentriques, et l’équipe de recherche a également découvert qu’une protéine appelée CsoS2 aide à maintenir le tout ensemble à l’intérieur de la coquille. Enfin, les résultats suggèrent que les carboxysomes sont assemblés de l’extérieur vers l’intérieur. Cela signifie que la surface intérieure de la coque est renforcée par certaines parties de la protéine CsoS2, tandis que d’autres parties de la protéine attirent les enzymes RuBisCO et les organisent en couches.

L'une des applications les plus prometteuses du carboxysome est la biologie synthétique des plantes, où l'introduction du carboxysome dans les chloroplastes des plantes sous forme de CO₂ -Le mécanisme de concentration peut améliorer l'efficacité photosynthétique et le rendement des cultures.

"Notre étude dévoile le mystère de l'assemblage des α-carboxysomes à partir de Prochlorococcus, fournissant ainsi de nouvelles informations sur le cycle mondial du carbone", explique le professeur Zeng.

Les résultats seront également importants pour ralentir le réchauffement climatique, explique-t-il, car les cyanobactéries marines fixent 25 % du CO₂ mondial. . "Notre compréhension du CO₂ Le mécanisme de fixation des cyanobactéries marines permettra d'améliorer leur CO₂ taux de fixation afin que plus de CO₂ peut être retiré de l'atmosphère", dit-il.

Suite à cette étude, l’équipe prévoit d’introduire l’α-carboxysome de Prochlorococcus dans les chloroplastes des plantes et de déterminer si l’α-carboxysome minimal peut améliorer l’efficacité photosynthétique des plantes. Ils prévoient également de modifier les gènes des carboxysomes et de créer des super cyanobactéries génétiquement modifiées capables de fixer le dioxyde de carbone à des taux très élevés, ce qui pourrait ralentir le réchauffement climatique.