Trajektorien für die Evolution bakterieller CO2-konzentrierender Mechanismen

Cyanobakterien sind auf CO2-konzentrierende Mechanismen (CCMs) angewiesen, um in der heutigen Atmosphäre (0,04 % CO2) zu wachsen. Diese komplexen physiologischen Anpassungen erfordern ≈15 Gene, um zwei Arten von Proteinkomplexen zu produzieren: anorganische Kohlenstoff (Ci)-Transporter und 100+ nm große Carboxysomen-Kompartimente, die Rubisco mit dem Enzym Carboanhydrase (CA) einschließen. Mutationen, die eines dieser Gene stören, verbieten das Wachstum in der Umgebungsluft. Wenn keine plausible ancestrale Form - d.h. die ein einzelnes Gen fehlt - wachsen kann, wie ist das CCM entstanden? Hier testen wir die Hypothese, dass die Evolution des bakteriellen CCM von historisch hohen CO2-Niveaus "katalysiert" wurde, die über geologische Zeit abgenommen haben. Mithilfe einer E. coli-Rekonstitution eines bakteriellen CCM konstruierten wir Stämme, die ein oder mehrere CCM-Komponenten fehlten, und bewerteten ihr Wachstum über CO2-Konzentrationen. Wir erwarteten, dass diese Experimente die Bedeutung des Carboxysoms demonstrieren würden. Stattdessen fanden wir heraus, dass partielle CCMs, die CA oder Ci-Aufnahmengen ausübten, bei intermediären CO2-Niveaus (≈1 %) besser wuchsen als die Kontrollen und ähnliche Phänotypen in zwei autotrophen Bakterien, Halothiobacillus neapolitanus und Cupriavidus necator, beobachteten. Um zu verstehen, wie CA und Ci-Aufnahme das Wachstum verbessern, modellierten wir Autotrophie als kohlimitiert durch CO2 und HCO3-, da beide erforderlich sind, um Biomasse zu produzieren. Unsere Experimente und unser Modell skizzierten eine tragfähige Trajektorie für die CCM-Evolution, bei der abnehmendes atmosphärisches CO2 einen HCO3--Mangel induziert, der durch den Erwerb von CA oder Ci-Aufnahme gelindert wird, wodurch die Entstehung eines modernen CCM ermöglicht wird. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung der Berücksichtigung von Physiologie und Umweltkontext bei der Untersuchung der Evolution biologischer Komplexität.