30億年前地球早期的大氣中可能富含二氧化碳 意味著古藍藻有足夠的“食物”

細菌CO2濃縮機製演變的機製和潛在途徑。（A） 今天，細菌CCM通過三個主要特征的協同作用發揮作用——（i）細胞膜上的無機碳（Ci）轉運蛋白，以及（ii）適當形成的羧基結構（iii）將rubisco與碳酸酐酶（CA）共包封。Ci攝取導致細胞內HCO3濃度高，遠高於與外部環境的平衡。升高的HCO3−通過僅位於那裏的CA活性轉化為高的羧基CO2濃度，這促進rubisco的羧化。（B） 缺少編碼基本CCM成分的基因的突變體在升高的CO2中生長，但在環境空氣中無法生長，如本文所示，蛋白細菌化學自養菌H.neapolitanus中的α-羧基體突變。缺乏羧基體CA（ΔcsosCA）或羧基體形成所需的非結構化蛋白質（Δcsos 2）的菌株未能在環境空氣中生長，但在5%CO2（>108個菌落形成單位/ml）中生長健壯（C）我們認為CCM由三種功能組成，超出rubisco本身：CA酶（品紅色）、Ci轉運蛋白（深棕色）、，以及用CA（淺棕色）包封rubisco的羧基體。如果CO2水平足夠高，原始的CO2固定細菌就不需要CCM。我們試圖在實驗上區分六個連續軌跡（虛線箭頭），在這些軌跡中可以獲得CCM分量。資料來源：《美國國家科學院院刊》（2022）。DOI:10.1073/pnas.2210539119
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（作者：California Institute of Technology）：藍藻是一種單細胞生物，通過光合作用將大氣中的二氧化碳（CO2）和液態水（H2O）轉化為可呼吸的氧氣和構成細胞的蛋白質等碳基分子，從而從光中獲取能量。藍細菌是地球曆史上最早進行光合作用的生物，負責向早期地球注入氧氣，從而顯著影響生命的進化。
地質測量表明，30億年前地球早期的大氣中可能富含二氧化碳，遠遠高於人類氣候變化導致的當前水平，這意味著古藍藻有足夠的“食物”。
但在地球數十億年的曆史中，大氣中的二氧化碳濃度已經下降，因此為了生存，這些細菌需要發展新的策略來提取二氧化碳。因此，現代藍藻看起來與它們的遠古祖先截然不同，它們擁有一套複雜而脆弱的結構，稱為CO2濃縮機製（CCM），以補償較低濃度的CO2。
現在，加州理工學院的新研究揭示了CCM是如何進化的，解決了進化地球生物學領域的一個長期謎團。這項新的研究利用遺傳技術來模擬現代生物的遠古祖先，使研究人員能夠係統地對不同版本的細菌進行實驗，並揭示可能的進化途徑。
這項研究是加州理工大學地球生物學教授伍德沃德·費舍爾和加州大學伯克利分校分子生物學副教授大衛·薩維奇以及霍華德·休斯醫學研究所實驗室之間的合作。它發表在《美國國家科學院院刊》上。
費舍爾說：“這是研究地球曆史的一種新興方式。”。“我們可以在實驗室中複製現代生物，讓我們通過嚴格的實驗室實驗來測試其進化軌跡。”

來源：Flamholz等人2022
藍藻在一種名為rubisco的酶的幫助下“吃掉”二氧化碳。簡單地說，Rubisco不太擅長它的工作——它的反應很慢，而且傾向於與其他分子而不是二氧化碳發生反應。當藍藻處於高濃度CO2環境中時，這不是問題；rubisco可能效率低下，細菌仍有足夠的CO2進行代謝。但是，由於大氣中的二氧化碳水平在數十億年中下降了很多，現代藍藻已經進化出一種CCM，將二氧化碳集中在細菌體內，並提高rubisco的效率。
CCM讓進化生物學家感到困惑，因為它們如此微妙地改變了編碼CCM各個部分的20個基因中的任何一個，都會導致整個結構失效。
“我們認為進化是循序漸進的，每一個新基因都會增加一些新功能，”加州理工學院博士後學者、這篇新論文的主要作者阿維·弗蘭霍爾茲說。“例如，現代人類眼睛的古老前身並不具備眼睛的所有功能，但可能能夠以某種形式檢測光。有了CCM，就沒有明確的途徑表明它們是如何進化到現在的複雜性的。”
在這項新的研究中，團隊著手對CCM結構可能的古代迭代進行建模。為此，他們對大腸杆菌進行了基因改造，使其代謝需要二氧化碳。因為在實驗室裏已經建立了與大腸杆菌一起工作的基因工具，所以與藍藻本身相比，使用這種模型係統更容易。然後，該團隊利用構成CCM的20個基因改造大腸杆菌菌株，並係統地添加、刪除和調整基因，以模擬CCM結構的所有可能的進化軌跡。
通過這種方式，Flamholz和他的團隊發現，事實上有幾種生物學上可行的軌跡導致了複雜的現代CCM的出現。
費希爾說：“這些結果突出了全球變化和地球生物圈演化之間無所不在的對話。”。“隨著二氧化碳越來越稀少，藍藻能夠創新出一種卓越的生化解決方案。”

(责任编辑：財經)