細菌CO2濃縮機制演變的機制和潛在途徑。（A） 今天，億年意味有足細菌CCM通過三個主要特征的前地球早期哈爾濱外圍（外圍女）外圍經(jīng)紀(jì)人（電話微信156-8194-*7106）真實上門外圍上門外圍女快速安排30分鐘到達協(xié)同作用發(fā)揮作用——（i）細胞膜上的無機碳（Ci）轉(zhuǎn)運蛋白，以及（ii）適當(dāng)形成的大氣羧基結(jié)構(gòu)（iii）將rubisco與碳酸酐酶（CA）共包封。Ci攝取導(dǎo)致細胞內(nèi)HCO3濃度高，中可著古遠高于與外部環(huán)境的含氧化碳平衡。升高的藍藻HCO3−通過僅位于那里的CA活性轉(zhuǎn)化為高的羧基CO2濃度，這促進rubisco的食物羧化。（B） 缺少編碼基本CCM成分的億年意味有足基因的突變體在升高的CO2中生長，但在環(huán)境空氣中無法生長，前地球早期如本文所示，大氣哈爾濱外圍（外圍女）外圍經(jīng)紀(jì)人（電話微信156-8194-*7106）真實上門外圍上門外圍女快速安排30分鐘到達蛋白細菌化學(xué)自養(yǎng)菌H.neapolitanus中的中可著古α-羧基體突變。缺乏羧基體CA（ΔcsosCA）或羧基體形成所需的含氧化碳非結(jié)構(gòu)化蛋白質(zhì)（Δcsos 2）的菌株未能在環(huán)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，藍藻超出rubisco本身：CA酶（品紅色）、食物Ci轉(zhuǎn)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(qū)分六個連續(xù)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(xué)院院刊》（2022）。DOI:10.1073/pnas.2210539119
（神秘的地球uux.cn）據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)（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(tài)水（H2O）轉(zhuǎn)化為可呼吸的氧氣和構(gòu)成細胞的蛋白質(zhì)等碳基分子，從而從光中獲取能量。藍細菌是地球歷史上最早進行光合作用的生物，負責(zé)向早期地球注入氧氣，從而顯著影響生命的進化。
地質(zhì)測量表明，30億年前地球早期的大氣中可能富含二氧化碳，遠遠高于人類氣候變化導(dǎo)致的當(dāng)前水平，這意味著古藍藻有足夠的“食物”。
但在地球數(shù)十億年的歷史中，大氣中的二氧化碳濃度已經(jīng)下降，因此為了生存，這些細菌需要發(fā)展新的策略來提取二氧化碳。因此，現(xiàn)代藍藻看起來與它們的遠古祖先截然不同，它們擁有一套復(fù)雜而脆弱的結(jié)構(gòu)，稱為CO2濃縮機制（CCM），以補償較低濃度的CO2。
現(xiàn)在，加州理工學(xué)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(xué)領(lǐng)域的一個長期謎團。這項新的研究利用遺傳技術(shù)來模擬現(xiàn)代生物的遠古祖先，使研究人員能夠系統(tǒng)地對不同版本的細菌進行實驗，并揭示可能的進化途徑。
這項研究是加州理工大學(xué)地球生物學(xué)教授伍德沃德·費舍爾和加州大學(xué)伯克利分校分子生物學(xué)副教授大衛(wèi)·薩維奇以及霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所實驗室之間的合作。它發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。
費舍爾說：“這是研究地球歷史的一種新興方式。”。“我們可以在實驗室中復(fù)制現(xiàn)代生物，讓我們通過嚴(yán)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(yīng)很慢，而且傾向于與其他分子而不是二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)藍藻處于高濃度CO2環(huán)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，由于大氣中的二氧化碳水平在數(shù)十億年中下降了很多，現(xiàn)代藍藻已經(jīng)進化出一種CCM，將二氧化碳集中在細菌體內(nèi)，并提高rubisco的效率。
CCM讓進化生物學(xué)家感到困惑，因為它們?nèi)绱宋⒚畹馗淖兞司幋aCCM各個部分的20個基因中的任何一個，都會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)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(xué)院博士后學(xué)者、這篇新論文的主要作者阿維·弗蘭霍爾茲說。“例如，現(xiàn)代人類眼睛的古老前身并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(xiàn)在的復(fù)雜性的。”
在這項新的研究中，團隊著手對CCM結(jié)構(gòu)可能的古代迭代進行建模。為此，他們對大腸桿菌進行了基因改造，使其代謝需要二氧化碳。因為在實驗室里已經(jīng)建立了與大腸桿菌一起工作的基因工具，所以與藍藻本身相比，使用這種模型系統(tǒng)更容易。然后，該團隊利用構(gòu)成CCM的20個基因改造大腸桿菌菌株，并系統(tǒng)地添加、刪除和調(diào)整基因，以模擬CCM結(jié)構(gòu)的所有可能的進化軌跡。
通過這種方式，F(xiàn)lamholz和他的團隊發(fā)現(xiàn)，事實上有幾種生物學(xué)上可行的軌跡導(dǎo)致了復(fù)雜的現(xiàn)代CCM的出現(xiàn)。
費希爾說：“這些結(jié)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(chuàng)新出一種卓越的生化解決方案。”

(責(zé)任編輯：探索)