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Science:解析出日光桿菌光合作用反應中心的結構

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摘要:年月日生物谷每天充足的太陽光照射地球如果我們能夠更加高效地捕獲所有的這些能量那么就能夠很多倍地提供地球所需的能量鑒于如今的太陽能電池板僅具有有限的太陽能捕獲效率當前以上的太陽能以熱量的形式喪失科學家們一直從自然中尋求靈感以便更好地理解光合植物和光合細菌捕獲太陽光的方式如今在一項新的研究中來自美國亞利桑那州立大學和賓夕法尼亞州立大學等研究機
Science:解析出日光桿菌光合作用反應中心的結構

2017年8月6日/生物谷BIOON/---每天,充足的太陽光照射地球。如果我們能夠更加高效地捕獲所有的這些能量,那么就能夠很多倍地提供地球所需的能量。

鑒于如今的太陽能電池板僅具有有限的太陽能捕獲效率(當前,80%以上的太陽能以熱量的形式喪失),科學家們一直從自然中尋求靈感以便更好地理解光合植物和光合細菌捕獲太陽光的方式。

如今,在一項新的研究中,來自美國亞利桑那州立大學和賓夕法尼亞州立大學等研究機構的研究人員解析出已知最為簡單的被稱作嗜中溫日光桿菌(Heliobacterium modesticaldum)的光合細菌的首個核心膜蛋白在近原子分辨率下的結構。他們的發現有助人們對光合作用的早期進化以及這種至關重要的過程與植物光合作用系統存在哪些差異獲得新的理解。它也為開發捕捉太陽能的被稱作“人工葉子”的有機太陽能電池板或者可再生的生物燃料奠定基礎。相關研究結果于2017年7月27日在線發表在Science期刊上,論文標題為“Structure of a symmetric photosynthetic reaction center–photosystem”。論文通信作者為亞利桑那州立大學生物設計研究所應用結構生物學中心副教授Raimund Fromme。

生命的太陽能電池板被科學家們稱為光系統(photosystem)。植物、海藻和光合細菌利用光系統高效地捕獲光線中幾乎每個可獲得的光子來生長和壯大,從而填充著地球上的幾乎每個角落。

Fromme說,“為了真正地和充分地理解光合作用,人們必須追蹤將光線轉化為化學能的過程。這是有史以來研究的最快的化學反應之一。這也是它如此難以研究和理解的原因之一。” 在光合作用中,化學反應的發生時間以皮秒(一皮秒等于一萬億分之一秒)來衡量。

為了研究光合作用,Fromme團隊探究了日光桿菌(Heliobacteria,注意不是Helicobacteria,后者才是螺旋桿菌,但是很多人經常將兩者混為一談)的最為簡單的光合作用。單細胞日光桿菌比植物更加簡單,而且與植物存在著根本上的不同。比如,在光合作用期間,日光桿菌使用硫化氫,而不是像植物那樣使用水。它們在缺乏氧氣的條件下生長,而且在光合作用之后產生臭雞蛋氣味的含硫氣體而不是氧氣。

日光桿菌利用它們獨特的位置成功地開辟出它們自己的生態小生境(ecological niche),這是因為它們利用近紅外光進行光合作用。植物在這種條件下不能夠完成光合作用。因此科學家們想知道日光桿菌如何成功做到這一點。

光合作用的關鍵是反應中心(reaction center, RC);它是精細的由色素和蛋白組成的復合體,能夠將光線轉化電子,從而給細胞提供能量。

葉綠素是讓植物變綠的色素。在植物中,葉綠素捕獲太陽能,并且利用捕獲的太陽能將水和來自空氣的二氧化碳轉化為糖分子。在高級植物、綠藻和藍細菌(cyanobacteria)中,產氧光合作用(Oxygenic photosynthesis)使用光系統I(Photosystem I, PSI,亦即I型反應中心,I型RC)和光系統II(PSII,亦即II型RC)。這兩種光系統一起將來自水中的電子轉移到鐵氧化還原蛋白,最終將能量載體NADP+還原為NADPH。

相反之下,厭氧光合細菌,如嗜中溫日光桿菌,利用單個反應中心啟動一種循環電子傳遞通路,從而在細胞膜上建立質子動力勢。這種質子動力勢通過ATP合成來促進能量產生和代謝。

反應中心有兩種主要的輔因子:鐵(I型RC)或醌(II型RC)。日光桿菌具有已知最為簡單的反應中心,而且使用獨特的葉綠素,即細菌葉綠素。日光桿菌的反應中心與所有光合反應中心的最早的共同祖先最為接近。

但是成功純化日光桿菌反應中心中的蛋白和形成X射線實驗所需的蛋白晶體是一種漫長而又困難的過程。

幾年前,博士后研究員Iosifina Sarrou首先對制備日光桿菌反應中心進行改進。在多次初步的結晶試驗之后,X射線衍射晶體電荷被發現。

在取得這些鼓舞人心的結果后不久,Christopher Gisriel加入Fromme團隊,將衍射質量改進到最終的2.2埃分辨率。不過,他們仍然不能夠解析出一種晶體結構。直到在2016年8月,這才有了轉機。最終,他們取得了一項突破性的發現,并且證實任何人對日光桿菌反應中心的初始預測是錯誤的。

如今,利用勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源的X射線和阿貢國家實驗室先進光子源的光束線,Fromme團隊首次在近原子的2.2埃分辨率下可視化觀察到日光桿菌反應中心。他們發現日光桿菌反應中心存在幾乎完美的對稱性。

首先,一對蛋白的氨基酸組成是相同的,因而被稱作同源二聚體。這是首次發現一種反應中心僅含有一對蛋白同源二聚體來驅動光合作用。

最后,他們繪制出日光桿菌反應中心蛋白復合體上的大約60個細菌葉綠素,這種數量比賓夕法尼亞州立大學的John Golbeck預測的要高。

這個多肽二聚體核心和兩個小亞基結合著54個細菌葉綠素和2個類胡蘿卜素。這些細菌葉綠素和類胡蘿卜素捕獲能量,并且將能量轉移到日光桿菌反應中心的電子傳遞鏈上,這個電子傳遞鏈由6個細菌葉綠素和1個鐵硫簇組成。不過不同于其他的反應中心的是,日光桿菌反應中心缺乏結合的醌。

因此,這種日光桿菌反應中心的結構支持一種假設,即日光桿菌反應中心中的電子傳遞并不需要一種中間的輔因子。

Fromme說,“已獲得多種異源二聚體反應中心的高分辨率結構,但是在此之前還沒有解析出同源二聚體反應中心的結構。”

再者,利用DNA測序技術和理解生命中所有基因和蛋白的潛在能力,這些研究人員也追蹤了光合作用反應中心的進化。從進化角度而言,這意味著日光桿菌反應中心首先可能是來自單個基因。

Fromme的同事Kevin Redding解釋道,“這種結構保留著古老的反應中心的特征,從而為理解光合作用進化提供新的見解。”(生物谷 Bioon.com)

參考資料:

Christopher Gisriel, Iosifina Sarrou, Bryan Ferlez et al. Structure of a symmetric photosynthetic reaction center–photosystem. Science, Published online: 27 Jul 2017, doi:10.1126/science.aan5611

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