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.

Many pathogenic bacteria use proteinaceous ethanolamine-utilization microcompartments (Eut BMCs) to facilitate the catabolism of ethanolamine, an abundant nutrient in the mammalian gut. The ability to metabolize ethanolamine gives pathogens a competitive edge over commensal microbiota which can drive virulence in the inflamed gut. Despite their critical functions, the molecular mechanisms underlying the synthesis of Eut BMCs in bacterial cells remain elusive. Here, we report a systematic study for dissecting the molecular basis underlying Eut BMC assembly in Salmonella. We determined the functions of individual building proteins in the structure and function of Eut BMCs and demonstrated that EutQ plays an essential role in both cargo encapsulation and Eut BMC formation through specific association with the shell and cargo enzymes. Furthermore, our data reveal that Eut proteins can self-assemble to form cargo and shell aggregates independently in vivo, and that the biogenesis of Eut BMCs follows a unique Shell-first pathway. Cargo enzymes exhibit dynamic liquid-like organization within the Eut BMC. These discoveries provide mechanistic insights into the structure and assembly of the Eut BMC, which serves as a paradigm for membrane-less organelles. It opens up new possibilities for therapeutic interventions for infectious diseases.