Abstract Carboxysomes are proteaceous bacterial microcompartments (BMCs) that sequester the key enzymes for carbon fixation in cyanobacteria and some proteobacteria. They consist of a virus-like icosahedral shell, encapsulating carbonic anhydrase and ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO), which catalyses the dehydration of bicarbonate into CO 2 , the first step of the Calvin–Benson–Bassham cycle. Despite their significance in carbon fixation and great bioengineering potentials, the structural characterization of native carboxysomes, including the shell and the internal organization, is currently limited to low-resolution tomography studies. Notably, the degree of heterogeneity of the shell, and the internal arrangement of enzymes, remain poorly understood. Here, we report the structural characterization of a native α-carboxysome from a marine cyanobacterium by single-particle cryo-EM. We determine the structure of RuBisCO enzyme at 2.9 Å resolution. In addition, we obtain low-resolution maps of the icosahedral protein shell and the concentric interior organisation. In combination with artificial intelligence (AI)-driven modelling approaches, we exploited these maps to propose a complete atomic model of an intact carboxysome. This study provides insight into carboxysome structure and protein-protein interactions involved in carboxysome assembly. Advanced knowledge about carboxysome architecture and structural plasticity is critical for not only a better understanding of biological carbon fixation mechanism but also repurposing carboxysomes in synthetic biology for biotechnological applications.

Abstract Carboxysomes are anabolic bacterial microcompartments that play an essential role in carbon fixation in cyanobacteria and some chemoautotrophs. This self-assembling organelle encapsulates the key CO 2 -fixing enzymes, Rubisco, and carbonic anhydrase using a polyhedral protein shell that is constructed by hundreds of shell protein paralogs. The α-carboxysome from the chemoautotroph Halothiobacillus neapolitanus serves as a model system in fundamental studies and synthetic engineering of carboxysomes. Here we adopt a QconCAT-based quantitative mass spectrometry to determine the absolute stoichiometric composition of native α-carboxysomes from H. neapolitanus . We further performed an in-depth comparison of the protein stoichiometry of native and recombinant α-carboxysomes heterologously generated in Escherichia coli to evaluate the structural variability and remodeling of α-carboxysomes. Our results provide insight into the molecular principles that mediate carboxysome assembly, which may aid in rational design and reprogramming of carboxysomes in new contexts for biotechnological applications.

Abstract Carboxysomes are proteinaceous organelles featuring icosahedral protein shells that enclose the carbon-fixing enzymes, Rubisco, alone with carbonic anhydrase. The intrinsically disordered scaffolding protein CsoS2 plays a vital role in the construction of α-carboxysomes through bridging the shell and cargo enzymes. The N-terminal domain of CsoS2 binds Rubisco and facilitates Rubisco packaging within the α-carboxysome, whereas the C-terminal domain of CsoS2 (CsoS2-C) anchors to the shell and promotes shell assembly. However, the role of the middle region of CsoS2 (CsoS2-M) has remained elusive. Here, we conducted indepth examinations on the function of CsoS2-M in the assembly of the α-carboxysome shell by generating a series of recombinant shell variants in the absence of cargos. Our results reveal that CsoS2-M assists CsoS2-C in the assembly of the α-carboxysome shell and plays an important role in shaping the α-carboxysome shell through enhancing the association of shell proteins on both the facet-facet interfaces and flat shell facets. Moreover, CsoS2-M is responsible for recruiting the C-terminal truncated isoform of CsoS2, CsoS2A, into α-carboxysomes, which is crucial for Rubisco encapsulation and packaging. This study not only deepens our knowledge of how the carboxysome shell is constructed and regulated but also lays the groundwork for engineering and repurposing carboxysome-based nanostructures for diverse biotechnological purposes.

Although Rubisco is the most abundant enzyme globally, it is inefficient for carbon fixation because of its low turnover rate and limited ability to distinguish CO2 and O2, especially under high O2 conditions. To address these limitations, phytoplankton, including cyanobacteria and algae, have evolved CO2-concentrating mechanisms (CCM) that involve compartmentalizing Rubisco within specific structures, such as carboxysomes in cyanobacteria or pyrenoids in algae. Engineering plant chloroplasts to establish similar structures for compartmentalizing Rubisco has attracted increasing interest for improving photosynthesis and carbon assimilation in crop plants. Here, we present a method to effectively induce the condensation of endogenous Rubisco within tobacco (Nicotiana tabacum) chloroplasts by genetically fusing superfolder green fluorescent protein (sfGFP) to the tobacco Rubisco large subunit (RbcL). By leveraging the intrinsic oligomerization feature of sfGFP, we successfully created pyrenoid-like Rubisco condensates that display dynamic, liquid-like properties within chloroplasts without affecting Rubisco assembly and catalytic function. The transgenic tobacco plants demonstrated comparable autotrophic growth rates and full life cycles in ambient air relative to the wild-type plants. Our study offers a promising strategy for modulating endogenous Rubisco assembly and spatial organization in plant chloroplasts via phase separation, which provides the foundation for generating synthetic organelle-like structures for carbon fixation, such as carboxysomes and pyrenoids, to optimize photosynthetic efficiency.