科學家揭秘原始生物如何進行光合作用—新聞—科學網

2020-11-22 科學網

 

綠硫細菌光合作用系統及內周捕光天線-反應中心複合體結構模型

光合生物是自然界最高效的太陽能固定「機器」，平均每年光合生物通過光合作用所同化的太陽能約為人類所需能量的10倍。光合作用使得人類文明的誕生和發展成為可能，被認為是地球上最重要的化學反應。

光合作用過程中發生光能-電能轉化的核心被稱為反應中心。光合反應中心如何工作？如何起源進化？人類能否利用自然界的光合作用機制來提高太陽能利用效率？科學家們一直在積極對光合作用機理開展廣泛的研究，尋找這些問題的答案有助於幫助我們解決糧食、能源和環境問題。

11月20日，《科學》刊發的一篇論文嘗試回答了這些問題。浙江大學醫學院、良渚實驗室聯合中國科學院植物研究所在全球率先解析了一種古老的光合細菌——綠硫細菌的光合反應中心空間結構。該研究刷新了人類對古老光合生物的光合作用機理的認知，對於理解光合作用反應中心的即進化生物學研究具有重要的啟示意義。

追本溯源 刨根問底

光合作用的光反應過程十分複雜，反應中心蛋白的空間結構也十分精妙。在地球幾十億年的歷史中。光合反應中心被認為只進化產生過一次，即現存的所有光反應中心蛋白都是從同一個祖先蛋白進化而來。追本溯源，科學家希望探究在早期地球環境下，古老的光合反應中心的空間結構是什麼樣的，與其他高等光合生物的反應中心有何不同？

綠硫細菌是光合細菌大家庭中的一員，被認為可能出現在35億年前，這類細菌能夠從硫化氫、膠體狀硫黃和硫代硫酸鹽等物質獲得電子而進行厭氧的光合作用。火山溫泉以及深海溫泉等光綠硫細菌能夠在光照極弱的環境下進行光合作用，那麼，綠硫細菌的光合作用系統在結構上和其他細菌又有哪些差別呢？

儘管綠硫細菌已被發現數十年了，令人感到遺憾的是，科學家們對它內部的光合作用系統的詳細構造仍然了解甚少。這也使得它成為七大門類光合細菌中唯一一類反應中心空間結構尚未被解析的光合細菌。

反應中心 內有乾坤

為何之前的科學家始終沒有看清綠硫細菌反應中心原子結構層面的「乾坤奧秘」呢？首要原因在於綠硫細菌反應中心的樣品製備極其困難。這是因為綠硫細菌作為一種厭氧菌對周圍環境要求非常苛刻，反應中心複合體在有氧條件下極不穩定，低濃度的氧氣就容易導致其變性。

另一個原因是早期對於生物大分子結構的解析主要藉助X射線晶體學，這種方法需要較多的樣品且對樣品的純度和均一度都有很高的要求。雙重因素下解析綠硫細菌反應中心的結構變得困難重重。

浙大科研團隊通過冷凍電鏡技術，很好地解決了這一難題。他們優化了樣品製備的各環節，獲得了足夠的蛋白樣品，收集了近萬張樣品顆粒的電子顯微鏡成像圖片，最終在世界上首次解析了綠硫細菌反應中心的結構，解析度高達2.7埃，在該解析度下，古老綠硫細菌反應中心的廬山真面目被首次揭開。

科研團隊發現，綠硫細菌的光合作用首先是通過一個巨大的外周捕光天線捕獲光能分子，再通過一些內周捕光天線向位於細胞膜的反應中心傳遞，這些收集和不斷向內傳遞的能量能夠激發反應中心內部的兩個特殊的葉綠素分子，促進其產生電荷的分離。

在這個過程中，光能就會轉變成了電能（電子），之後，這些電子會通過下遊的一系列載體繼續傳遞並最終傳遞給一個末端的電子受體，產生還原力，將無機物轉變成有機物。

「之前科學家們推測綠硫細菌的反應中心是類似於綠色植物中的光系統I的。但我們從結構上『看到』雖然它與光系統I有相似的地方，比如它們的蛋白結構比較像，但也有明顯區別，綠硫細菌反應中心的色素數量比光系統I的要明顯減少，而且色素的空間排布也不一樣。」 論文通訊作者浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院、良渚實驗室教授張興介紹說。

有意思的是，他們發現綠硫細菌的反應中心色素排列跟光系統II非常相似。「這兼具兩種光系統結構特點的『混沌狀態』暗示綠硫細菌的反應中心可能代表了進化早期的光合生物反應中心的古老特徵。」張興說。

從細胞膜平面的角度看，綠硫細菌反應中心的色素分子分為上下兩層，兩層葉綠素之間有一條「過道」。張興說，在目前已經解析的反應中心結構中，「過道」裡有一種作為橋梁的分子，可以把上層的能量傳到下層，但是綠硫菌沒有這個橋梁分子，上層與下層的能量就像「隔空拋物」一樣傳遞。

「這也進一步驗證了綠硫細菌反應中心，能量的傳遞效率比其他光合細菌的反應中心低很多。」論文第一作者、浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院/浙江大學冷凍電鏡中心博士後陳景華介紹，效率低的另一個原因是，他們從結構中發現，綠硫細菌的內周捕光天線與反應中心的色素分子之間間隔距離較遠，導致能量傳遞困難。

解析結構 認祖歸宗

根據生物進化優勝劣汰的原理反推，越是進化完善的，越是「後生」的，越是不完善的，越是古老的。「地球上所有現存的光合作用反應中心都起源於相同的『祖先』（一類原始的反應中心蛋白），並由該蛋白不斷進化而形成現有的各種各樣的反應中心。」張興說，在高等植物中存在兩種不同的光反應系統(光系統I和光系統II)，且各自是由不一樣的中心蛋白構成。

科學界的普遍共識是，地球上最早的反應中心是由兩個相同的蛋白構成的同源二聚體，在進化的過程中兩個中心蛋白慢慢發生變化，從兩個一樣的蛋白變成了兩個不一樣的異源二聚體蛋白，「而此次解析到的綠硫細菌反應中心正是這樣由兩個相同的蛋白構成的同源二聚體。」

張興課題組的研究證明，綠硫細菌反應中心是目前唯一發現具有兩類反應中心結構特徵的分子，填補了人類對光反應中心結構認知的空白。

論文評審專家表示：「這項研究對於揭示30億年前地球原始光合生物如何進行光合作用具有重要的啟示，對於理解光合作用反應中心的進化極其重要。」

了解了反應中心的結構特徵之後，課題組下一步研究將努力獲取更多的支撐數據。未來有望通過人工模擬光合作用機制、仿生設計光敏器件；改造植物光反應系統、提高太陽能利用率，從而提高農作物產量，緩解日益突出的糧食和能源問題。

相關論文信息：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abb6350

 

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