新线索表明蓝藻如何进化出浓缩大气中二氧化碳的能力
蓝藻是 单细胞 从光中获取能量的生物体，利用光合作用将大气中的二氧化碳 (CO2) 和液态水 (H2O) 转化为可呼吸的氧气和碳基分子，例如 蛋白质 构成它们的细胞。 蓝藻是地球历史上第一个进行光合作用的生物，负责为早期地球注入氧气，从而显着影响生命的进化方式。
地质测量表明，早期地球的大气层——超过 2 亿年前——可能富含二氧化碳，远高于目前人为气候变化造成的水平，这意味着古代蓝藻有足够的“食物”。 但在地球数十亿年的历史中，大气中的二氧化碳浓度已经下降，因此为了生存，这些 菌 需要制定新的策略来提取二氧化碳。 因此，现代蓝藻看起来与其远古祖先截然不同，并且拥有一组复杂、脆弱的结构，称为二氧化碳浓缩机制 (CCM)，以补偿较低浓度的二氧化碳。
现在，来自加州理工学院和创新基因组学研究所 (IGI) 研究人员的新研究揭示了 CCM 是如何进化的，解决了进化地球生物学领域一个长期存在的谜团。 这项新研究采用遗传技术模拟现代生物的古代祖先，使研究人员能够系统地对不同版本的细菌进行实验，并揭示可能的进化途径。
该研究是加州理工学院地球生物学教授实验室之间的合作 伍德沃德菲舍尔 David Savage，加州大学伯克利分校分子生物学副教授，IGI 和霍华德休斯医学研究所研究员。 它出现在杂志上 诉讼中的国家科学院院士.
“这是一种研究地球历史的新兴方法，”费舍尔说。 “我们可以采用现代生物并在实验室中对其进行改造，从而使我们能够通过严格的实验室实验来测试其进化轨迹。”
蓝细菌借助于 酶 称为鲁比斯科。 简而言之，Rubisco 并不擅长它的工作——它作用缓慢，并且倾向于与其他分子而不是 CO2 发生反应。 在 CO2 浓度高的环境中，这对蓝藻来说不是问题； rubisco 可能效率低下，细菌仍有足够的 CO2 进行代谢。 但是，由于大气中的二氧化碳水平在数十亿年间大幅下降，现代蓝藻进化出一种 CCM，可将二氧化碳浓缩在细菌自身体内，并提高红细胞生成效率。
CCM 令进化生物学家感到困惑，因为它们非常脆弱——改变 20 种生物中的任何一种 基因 为 CCM 的各个部分编码会导致整个结构失效。
“我们认为进化是一步一步发生的，每个新基因都会增加一些新功能，”加州理工学院博士后学者兼新论文的主要作者 Avi Flamholz 说。 “例如，现代人眼的远古祖先并不具备眼睛的所有功能，但可能会以某种形式检测到光。 对于 CCM，没有明确的途径表明它们是如何进化到现在的复杂性的。”
在这项新研究中，该团队着手对 CCM 结构可能的古代迭代进行建模。 为此，他们进行了基因改造 大肠杆菌 细菌需要二氧化碳来进行新陈代谢。 因为有成熟的遗传工具可以与 E。大肠杆菌 在实验室中，使用这个模型系统比使用蓝细菌本身更容易处理。 该团队随后设计了 E。大肠杆菌 具有构成 CCM 的 20 个基因的菌株，并系统地添加、删除和调整基因，以模拟 CCM 结构的所有可能的进化轨迹。
通过这种方式，Flamholz 和他的团队发现实际上有几个生物学上可行的轨迹导致了复杂的现代 CCM 的出现。
“这些结果突出了全球变化与地球生物圈进化之间无处不在的对话，”费舍尔说。 “随着二氧化碳变得越来越稀缺，蓝藻能够创新出一种非凡的生化解决方案。”
了解更多：
Avi I. Flamholz、Eli Dugan、Justin Panich、John J. Desmarais、Luke M. Oltrogge、Woodward W. Fischer, Steven W. Singer, David F. Savage。 2022. “细菌 CO2 浓缩机制的进化轨迹设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“ PNAS。
资金由国家科学基金会、戈登和贝蒂摩尔基金会、Kavli 基金会、Schwartz/Reisman 合作科学计划、美国能源部和荷兰皇家壳牌能源与生物科学研究所提供。
