I blågrønnbakterier og noen kjemoautotrofe bakterier en oppkonsentrering av det CO2 fikserende enzymet rubisko i cellene omgitt av en proteinbarriære (prokaryoter har ikke organeller). Proteinskallet rundt karboksysomene har likhetstrekk med proteinkappen rundt virus. Rubisko er det hastighetsbegrensende enzymet i fotosyntesen, har lav affinitet for CO2 og oksygen er et alternativt substrat for enzymet. Ved å øke konsentrasjonen av CO2 omkring rubisko reduseres fotorespirasjonen. Man antar at karboksysomene ble utviklet under evolusjonen da konsentrasjonen av oksygen økte i atmosfæren. Siden karboksysomene er krystallinske bidrar de ikke til økt osmolaritet i cellen. Karboksysomene inneholder også enzymet karbon anhydrase, som katalyserer overgangen mellom CO2 og hydrogenkarbonat (bikarbonat HCO3-), og sørger for CO2 til rubisko. Proteintransportører deltar i transporten av uorganisk karbon inn i bakteriecellene, og det er hydrogenkarbonat som blir tatt opp i karboksysomene. Hydrogenkarbonat er den formen det er mest av ved høy pH, og denne formen diffunderer heller ikke lett ut av cellene. Det er to hovedtyper karboksysomer: alfa-karboksysomer i marine blågrønnbakterier, og beta-karboksysomer i blågrønnbakterier i ferskvann og brakkvann. Karboksysomene spiller en viktig funksjon i assimilasjonen av CO2 i akvatiske systemer, og man undersøker om de kan ha praktisk anvendes i CO2-fangst.