化学自养微生物中由DAB2复合体耦合膜电位的定向CO₂水合的结构基础

微生物如何帮助封存碳

隐藏在海洋和含硫沉积物中的微生物完全依赖无机化学物质和二氧化碳生存。本研究揭示了其中一类细菌如何利用一个微小的分子机械装置——称为DAB2复合体——从周围环境中提取CO₂并将其转化为细胞可利用的形式。理解这种天然碳泵对基础气候科学很重要，并可能最终启发从环境中捕获CO₂的新方法。

微观碳泵

许多微生物以溶解无机碳构建自身，即溶于水中的CO₂及其相关物种的混合物。它们依赖一种迟缓的酶RuBisCO将CO₂固定到有机化合物上，这一反应是全球碳循环的核心。由于RuBisCO速度慢且易受干扰，许多微生物进化出CO₂浓缩机制，在RuBisCO作用的部位积累可用碳。尽管这些系统在光合蓝藻中已知较多，化学自养生物——通过氧化无机物（如硫）获得能量的细菌——仍然较为神秘。早期工作指出了一类膜复合体，总称为DACs，能在碳匮乏时帮助这些细菌生长。来自嗜盐硫细菌（Halothiobacillus neapolitanus）的一个系统DAB2能拯救缺碳的大肠杆菌，这提示它能在细胞内主动积累无机碳。

DAB2复合体的三维结构

作者利用高分辨率冷冻电子显微镜确定了在类膜环境中嵌入的DAB2复合体结构。DAB2是一个由两部分组成的机器：位于膜内侧的上部可溶性蛋白（DabA2），以及穿过脂质层形成通道的下部跨膜蛋白（DabB2）。DabA2类似已知的碳酸酐酶——这类酶通常加速CO₂与碳酸氢根之间的互转——但其构架经过了显著改造。它含有两个相关的催化结构域和一个独特的跨膜“指状”延伸，伸入DabB2。DabB2的构象则与呼吸链复合体I中的质子传导亚基极为相似，复合体I是细胞能量转换的核心。这一组合表明DAB2将一个碳处理中心与质子驱动的能量源连接起来。

带门控通道的隐秘反应腔

对DabA2的更细致观察显示，在一个深埋口袋的中心有一个锌离子，CO₂和碳酸氢根在此结合。与教科书中的碳酸酐酶不同，这个活性位点缺少一个通常稳定反应短暂过渡态的关键氨基酸。该位点只能通过狭窄、曲折的通道到达，这些通道主要由疏水残基内衬。通过结构分析和红外光谱学，研究者表明该口袋能够强烈结合多个CO₂分子，但自身并不会快速将其转化为碳酸氢根。通道的紧密构型造成了瓶颈，可能需要以受控方式开合，充当门控，调节何时CO₂可以进入、何时碳酸氢根可以离开。

质子驱动与单向通行

DabB2的结构与一系列靶向突变显示它形成了一条跨膜质子通路——带正电的氢离子沿此跨膜转运。关键的带电和极性残基排列形成了质子传递的连续路线，类似于呼吸链中携带质子的“水线”。DabA2的不寻常螺旋延伸插入DabB2，正好位于预期的第二半通道处，显然有助于构成质子的出口。当作者破坏沿该通路的特定残基时，尽管这些蛋白仍能表达，复合体已不能支持缺碳大肠杆菌的生长。额外测试表明DAB2不依赖钠梯度，这将其与某些病原体中的相关复合体区分开；相反，它似乎纯粹由膜的质子动力势驱动。

细胞碳的一只单向阀

综合这些发现，作者提出DAB2是一种定向碳酸酐酶——一个与质子流紧密耦合的单向CO₂水化器。在他们的模型中，当系统处于“闭合”静止状态时，CO₂和水可以滑入埋藏的活性位点，但通道的几何形状和空间阻碍阻止碳酸氢根返回，阻断了反向反应。当膜两侧存在质子梯度时，质子通过DabB2移动并触发DAB2结构的微小位移，这些位移可能由DabA2的“指状”结构传递。这些变化打开通道并重组活性位点，使CO₂能够高效转化为碳酸氢根并释放到细胞内，同时质子被携带穿过膜。该设计使化学自养细菌能够将碳摄取直接与其能量状态联系起来，确保仅在有足够质子动力支持时才进行CO₂捕获。这项工作将DAB2确立为一种广泛存在的、由质子驱动的碳转换机器的样板，并拓展了我们关于微生物如何构筑微观碳泵的认识。

引用: Lo, Y.K., Seletskiy, M., Bohn, S. et al. Structural basis of membrane potential coupled vectorial CO₂ hydration by the DAB2 complex in chemolithoautotrophs. Nat Commun 17, 4071 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72558-7

关键词: 二氧化碳摄取, 化学自养微生物, 碳酸酐酶, 质子动力势, 膜蛋白结构