在一項新的研究中，來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和密歇根州立大學等研究機構的研究人員提供有史以來一種完整的被稱作細菌微區室（bacterial microcompartments, BMC）的細胞器的最為清晰的圖片，從而揭示出這種細胞器的蛋白外殼（protein shell）在原子水平分辨率下的結構和組裝過程。他們研究的這種細胞器的蛋白外殼來自一種生活在海洋中的粘細菌，即赭黃嗜鹽囊菌（Haliangium ochraceum）。這種完整的細菌細胞器蛋白外殼的結構圖有助提供用于抵抗致病菌或出于有益目的對細菌細胞器進行生物改造的重要信息。相關研究結果發表在2017年6月23日的Science期刊上，論文標題為“Assembly principles and structure of a 6.5-MDa bacterial microcompartment shell”。

來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和密歇根州立大學的研究人員首次獲得原子水平的完整細菌微區室結構圖。圖片來自Markus Sutter/Berkeley Lab and MSU。  

這些細菌微區室的共同結構特點是位于這種微區室中心的酶被一種選擇性通透蛋白外殼包裹著。一些突出的例子包括用于二氧化碳固定的羧酶體（carboxysome）和在很多致病性細菌中發現的分解代謝微區室。

論文通信作者、勞倫斯伯克利國家實驗室結構生物學家Cheryl Kerfeld注意到，這些細胞器被一些細菌用來固定二氧化碳。理解這種微區室的蛋白外殼是如何組裝的，以及它如何讓一些化合物通過同時阻擋其他的化合物，可能有助開展改善碳固定---更寬泛的說，生物能源---的研究。這類細胞器也有助很多致病性細菌代謝正常的非致病性細菌不能夠代謝的化合物，從而讓它們具有一種競爭優勢。

這些研究人員注意到，這些細胞器的內含物決定著它們的特定功能，但是細菌微區室的蛋白外殼整體結構基本上都是一樣的。這種微區室蛋白外殼提供一種選擇性通透屏障，從而將在它的內部發生的反應與細胞的其余部分分隔開。這能夠讓多步驟反應更加高效地發生，阻止不想要的干擾，并且對這些密封的反應可能產生的有毒化合物進行限制。

不同于真核細胞的質膜，細菌微區室具有由蛋白組成的多面體殼。

論文第一作者、密歇根州立大學高級研究助理、勞倫斯伯克利國家實驗室分子生物物理學與整合成像部門科學家Markus Sutter說，“對質膜而言，存在膜蛋白讓分子通過。對細菌微區室而言，這種多面體殼是由蛋白組成的，因此細菌微區室的殼蛋白不僅具有結構上的作用，而且它們也負責底物選擇性通過這種蛋白外殼。”

早期的研究已揭示出組成這種細菌微區室蛋白外殼的單個組分，但是對整個細胞器進行成像是充滿挑戰的，這是因為它具有較大的大約6.5兆道爾頓（MDa）的分子量。

這些研究人員能夠展示5種不同的蛋白如何形成三種不同的形狀：六邊形、五邊形和一對堆疊在一起的六邊形，它們一起組裝成一種二十面體外殼。

這些研究人員說，通過利用這篇論文中的結構數據，科學家們能夠設計實驗來研究分子如何通過這種蛋白外殼的機制，以及構建定制的細胞器用于碳捕獲，或者制造有價值的化合物。

原標題：Science：首次從結構上揭示細菌細胞器如何組裝