亞利桑那州立大學(xué)一組科學(xué)家通過確定一個非常大的光合超復(fù)合體結(jié)構(gòu)，向揭開光合作用的秘密又邁進了一大步。

這一重要發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2019年5月27日出版的《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》上。分子科學(xué)學(xué)院和生物設(shè)計研究所應(yīng)用結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)中心的助理教授尤瓦爾·馬佐解釋說：超復(fù)合物是存在于所有光合生物中的觸角蛋白和光化學(xué)反應(yīng)中心之間的聯(lián)系，這種特殊的光合作用來自藍藻，這是一種細菌(門)。

在這種細菌中，氧氣光合作用首次出現(xiàn)(數(shù)十億年前)，后來進化成我們今天所知道的所有類型氧氣光合作用。Mazor的團隊包括博士后Hila Toporik和研究生Jin Li；以及與分子科學(xué)學(xué)院和應(yīng)用結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)中心的趙伯林副教授，以及約翰·m·考利高分辨電子顯微鏡中心的副研究員德懷特·威廉姆斯合作。植物、藻類和藍藻利用光合作用產(chǎn)生氧氣和減少碳，就像碳水化合物一樣，它們?yōu)槲覀冋麄€生物圈提供能量。

光系統(tǒng)I (PSI)和光系統(tǒng)II (PSII)是兩種色素蛋白復(fù)合物，它們協(xié)調(diào)著光合作用中的主要光反應(yīng)。了解這些光系統(tǒng)是如何發(fā)揮其魔力的，是科學(xué)界長期追求的目標(biāo)之一。物理學(xué)家、諾貝爾獎得主理查德·費曼曾說過一句名言：回答許多基本的生物學(xué)問題非常容易，你看看這東西！的確，結(jié)構(gòu)生物學(xué)背后的核心思想是，一旦一個人能夠以足夠詳細的方式“觀察”“事物”，以識別它們的原子結(jié)構(gòu)，他就自然能夠回答復(fù)雜生物過程的組成部分和參與者是如何以及為什么以這種方式工作的。

近年來，單粒子低溫電子顯微鏡(cryo-EM)引發(fā)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一場革命，成為一門新興的主導(dǎo)學(xué)科。低溫電子顯微鏡使研究人員得以研究幾年前根本無法研究到的生物結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在正以前所未有的復(fù)雜性詳細揭示這些結(jié)構(gòu)。事實上，正是這一技術(shù)被ASU分子科學(xué)學(xué)院和文理學(xué)院的專家們所使用，才使得對PSI-IsiA復(fù)合物結(jié)構(gòu)的解釋成為可能。在實驗室中，這種特殊的超復(fù)合體是由藍細菌在低鐵環(huán)境或過多的光通量下產(chǎn)生。然而，在“真實世界”中，鐵存在于非常低的濃度下，強光可能是規(guī)律而不是例外。

所以最終，硅藻是光系統(tǒng)I的一種非常常見的形式，光系統(tǒng)I是光合作用的兩個基本引擎之一。該復(fù)合體的大小獨特，是已知分子結(jié)構(gòu)中最大的光合超復(fù)合體，其復(fù)雜程度由700多個不同的分子(主要是集光分子)組成。硅藻超復(fù)合體中含有591種葉綠素，是迄今為止已知結(jié)構(gòu)的光合超復(fù)合體中數(shù)量最多的結(jié)合色素。藍細菌在壓力下表達這種復(fù)合物的能力對它們在這些條件下的生存起著重要作用。這個復(fù)合體也代表了一大類觸角，它們在海洋藍細菌中非常常見

它們在全球光合作用總量中占相當(dāng)大的比例(估計在15%到25%之間)。其研究是在一種常見的實驗室菌株上完成，而不是在一種海洋物種上。目前的結(jié)構(gòu)揭示了這臺巨大機器最關(guān)鍵細節(jié)，作為膜嵌入天線蛋白藍細菌分支的第一個例子，它為評估藍細菌的光收集和光保護機制(從過?；虿▌拥墓鈼l件)奠定了基礎(chǔ)道路。理解艾蒿光合超復(fù)合體的復(fù)雜性和功能最終將有助于確保我們在地球上有一個穩(wěn)定的能源供應(yīng)，這無疑是21世紀(jì)的核心挑戰(zhàn)之一。

博科園｜研究/來自：亞利桑那州立大學(xué)

參考期刊《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》

DOI: 10.1038/s41594-019-0228-8

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