羧酶体是细菌微区室（Bacterial Microcompartments）家族中的一员，广泛存在于所有蓝细菌与一些化能自养细菌中。羧酶体是由半透性的蛋白质外壳包裹核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase，RuBisCO）和催化HCO3−转化为CO2的碳酸酐酶（Carbonic anhydrase，CA）形成的细菌微区室。

羧酶体的蛋白质外壳允许碳酸氢根离子（HCO3−）进入外壳内侧，并阻止CO2分子逃逸出外壳，从而在外壳内部富集高浓度的CO2，最终显著提升RuBisCO的固碳效率。利用羧酶体富集CO2与自组装的特性来定向构建生物反应器已成为当前的研究热点。

鉴于羧酶体外壳本身具备的选择透过性与自组装特性，刘鲁宁课题组尝试利用合成生物学方法，将氧气敏感型酶封装至羧酶体外壳中构建生物反应器，提升酶促反应效率。首先通过工程菌株大肠杆菌中异源表达八种α-羧酶体外壳蛋白（包括外壳组成蛋白和外壳结合蛋白），成功构建出结构完整且稳定的α-羧酶体外壳，并进一步确定了组成稳定羧酶体羧酶体外壳所需的蛋白组分。利用激光共聚焦显微镜，电子显微镜以及生化分析方法验证了外壳结合蛋白CsoS2的羧基端肽段可以介导外源蛋白GFP定位至羧酶体外壳内部（图1）。

图1. CsoS2羧基端肽段可以介导GFP靶向定位至羧酶体外壳内侧

在获得结构完整且稳定的羧酶体外壳与外壳内侧靶向定位肽后，进一步利用靶向定位肽介导氧气敏感型[FeFe]氢酶与电子传递相关蛋白封装至羧酶体外壳中构建出结构完整的产氢羧酶体（图2）。

图2. 利用靶向定位肽封装氢酶及电子传递相关蛋白构建产氢羧酶体

对产氢羧酶体的进行的产氢活性测试还发现产氢羧酶体（Shell-HydA）的产氢能力与氧气耐受能力均显著高于游离氢酶(Free HydA)（图3）。

图3. 产氢羧酶体的产氢能力与氧气耐受能力显著高于游离氢酶

该研究在提供创新型生物制氢方案的同时，也对羧酶体组装机制以及羧酶体外壳的选择透过性提供新的见解，深化了对α-羧酶体组装机制的理解，完善了现有的α-羧酶体的组装模型。并为进一步利用羧酶体及其他细菌微区室定向构建高效纳米生物反应器提供可行性参考和借鉴。

第一作者李天佩为利物浦大学与中国科学院水生生物研究所联合培养博士、河南大学博士后，利物浦大学整合生物研究所刘鲁宁教授与河南大学王强教授为文章共同通讯作者。

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-19280-0