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Science:科学家首次缝合光合作用大复合体

当阳光照射到一个能进行光合作用的生物体时,后者所捕获的能量在蛋白之间流动,最终成为电荷被捕获。这一过程最终为生物的生长和行动提供了支持。

根据化石判断,蓝藻(cyanobacterium)已有三十五亿年历史,被认为是第一批向原始大气释放氧气的生物,它是常用于光合作用研究的一种模式生物。蓝藻的光合作用体系由三种蛋白复合体组成:藻胆体、光合系统I和光合系统II。这三种复合体只有在精确定位的情况下,才能行使正常功能。如果蛋白之间的距离过远,能量转移太慢,则会最终导致生物体的死亡。

迄今为止人们还未能明确,上述三种蛋白是如何相互联系组成大复合体的。由于破坏了将蛋白连接起来的弱链,此前分离大复合体的尝试均以失败告终。

Science:科学家首次缝合光合作用大复合体

现在,来自华盛顿大学的研究人员在《科学》(Science)杂志上报告称,他们利用最新技术,成功地提取了完整的光合作用大复合体,并检验了它的整体功能。

科学家利用化学交联来缝合大复合体中的蛋白,并在保证功能的同时,将大复合体完整的分离出来。研究人员指出,这一成果有望帮助人们增加农作物的光合效率,现在亟需这样的技术来应对世界人口的日益增加。

光合作用生物能够通过多种分子组成的结构捕获光,并将激发能转移到反应中心,以电荷形式储存能量。蓝藻通过藻胆体捕获光,藻胆体位于光合系统II的上方,光合系统I的斜对角。

在这项最新研究中,科学家提出了将光合作用大复合体交联起来的方案。研究人员通过基因工程,标记了蓝藻光合系统II的底部,并用起缝合作用的试剂处理改造后的蓝藻细胞。裂解这些细胞,就可以利用标记提取光合系统II,以及与之相连的其他蛋白。

为了分析这些蛋白之间的联系,研究人员对蛋白进行反复的切割,通过质谱在单个氨基酸水平上进行研究。他们将质谱得到的氨基酸序列,与已知的蛋白复合体序列进行比对,以确定不同蛋白之间的交联位点,以便建立光合作用大复合体的总体结构。随后,研究人员在完整的大复合体中激发藻胆体,并追踪了复合体中的能量传递,一般这样的能量转移发生在1皮秒以内。

长期以来,人们一直希望理解光合作用蛋白之间的组织形式,而这项新研究解决了这一问题。此外,这种先交联再进行质谱分析的方案,也可以用来解析其他的蛋白复合体。

原文检索:

Haijun Liu, Hao Zhang, Dariusz M. Niedzwiedzki, Mindy Prado, Guannan He, Michael L. Gross, and Robert E. Blankenship. Phycobilisomes Supply Excitations to Both Photosystems in a Megacomplex in Cyanobacteria. Science, 29 November 2013; DOI:10.1126/science.1242321

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