硅藻光合作用結構原子水平三維結構首獲揭示

2020-12-05 清華大學新聞網

硅藻光合作用結構原子水平三維結構首獲揭示

來源：科學網 8-18

記者日前從中科院植物所獲悉，由清華大學隋森芳院士率領的研究團隊與該所沈建仁研究員、匡廷雲院士率領的團隊合作，在國際上首次解析了一種中心綱硅藻——Chaetoceros gracilis的光系統II-捕光天線超級複合體的3.0 埃解析度的三維結構，為光合作用的理論計算和人工模擬光合作用研究提供了新理論依據，同時為後續指導設計新型作物、提高作物的捕光和光保護效率提供了新思路。該成果於8月2日發表在國際著名學術期刊《科學》上。

據介紹，硅藻是海洋主要的浮遊生物之一，貢獻了地球上每年原初生產力的20%左右，且在生物地球化學循環中起著重要作用，這些特徵與其光系統以及外周捕光天線的功能密切相關。不同於綠藻和高等植物，硅藻光系統II（PSII）的外周捕光天線是結合了巖藻黃素和葉綠素a/c的蛋白（FCPs），具有強大的藍綠光捕獲能力和快速光適應能力。然而硅藻PSII-FCPII超級複合體的能量傳遞、轉換和光保護機制長期未得到闡明。

研究人員利用單顆粒冷凍電鏡技術解析發現，硅藻的PSII-FCPII超級色素蛋白複合體由兩個單體組成，包含230個葉綠素a分子、58個葉綠素c分子、146個類胡蘿蔔素分子、以及錳簇複合物、電子傳遞體和大量的脂分子等；硅藻PSII-FCPII的反應中心與藍藻和紅藻相似，但是具有額外的兩個核心亞基和一個特有的外周放氧亞基，且各外周天線亞基排列方式與已知的綠藻和高等植物明顯不同。研究人員在硅藻PSII-FCPII複合體中發現了多條捕光天線向反應中心的能量傳遞途徑，以及可能的重要非光化學淬滅位點和保護放氧反應中心。

沈建仁和匡廷雲團隊一直致力於高等植物和藻類光系統和捕光天線蛋白的研究工作。2019年初，該團隊首次報導了羽紋綱硅藻——三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃解析度的晶體結構，描繪了葉綠素c和巖藻黃素在硅藻光合膜蛋白中的結合細節。此次成果是該合作團隊在前期光合膜蛋白結構與功能研究工作的拓展。

《科學》同期刊發了德國光合作用研究專家Claudia Büchel教授撰寫的評述「How diatoms harvest light」，稱讚硅藻的兩個研究成果是「該領域突出的研究工作」「這兩項研究工作揭示了硅藻FCP捕光天線複合體的多樣性和柔性，對於研究光合生物LHC超級家族成員在不同光環境條件下實現多樣的光能捕捉功能具有重要意義，是一項裡程碑式的工作」。

編輯：李華山

相關焦點

  • 硅藻光合作用結構原子水平三維結構首獲揭示—新聞—科學網
    ——Chaetoceros gracilis的光系統II-捕光天線超級複合體的3.0 埃解析度的三維結構，為光合作用的理論計算和人工模擬光合作用研究提供了新理論依據，同時為後續指導設計新型作物、提高作物的捕光和光保護效率提供了新思路。
  • 最新《Science》:揭示單個納米晶體的三維原子結構!
    來自同一合成批次的納米晶體通常在尺寸、晶格畸變和缺陷方面具有很大的差異，精確測定單個納米晶體的三維原子結構是了解和預測其物理性質的前提。本文作者通過開發了的具有原子解析度的3D液體池電子顯微鏡，展現了由單個批次合成的具有關鍵結構差異的Pt納米晶的高解析度3D原子排列。得到的結構信息能夠為今後改進合成和理解當前材料的性能提供重要的新指導。
  • 【科技前沿】張興/沈建仁/匡廷雲等在光合結構領域取得重大突破
    該研究將SACLA X射線自由電子雷射（XFEL）設備產生的量子束照射到光系統II晶體上，並以高解析度分析了三維結構。結果表明，在催化劑中發現了兩個氧原子，這些氧原子被認為是形成氧分子所必需的，並且通過將它們與量子化學計算結果結合起來，闡明了這兩個氧原子的化學性質。故該研究不僅有望闡明通過光合作用從水分子中提取氫離子和電子的機理，而且還將設計出用於光分解水的人造光合作用催化劑。
  • 硅藻,硅藻,你為什麼這麼擅長「捕光」
    被稱為自然界「奇葩」光合物種的硅藻為什麼特別擅長「捕光」？
  • 膜生物學國家重點實驗室首次揭示完整藻膽體的三維結構
    其中存在於藍藻和紅藻中的藻膽體是迄今已知的最大的捕光蛋白複合物，它位於膜表面，並與位於膜中的光和反應中心結合，能將吸收的太陽光以極高的效率傳遞給光合反應中心以便進一步轉化為有機物並釋放氧氣。這個巨大的超分子複合體的組裝機制和光能在其中的傳遞機制一直是光合作用研究領域的前沿熱點問題。
  • 金屬所等實現晶界三維原子結構成像
    晶界作為材料中廣泛存在的重要缺陷，它的結構和行為很大程度上決定了多晶材料的物理、化學和力學性能。晶界結構和行為的研究一直是材料科學的研究焦點之一。雖然透射電子顯微技術的發展已將材料研究推進到亞埃尺度，但是由於晶界結構本身的複雜性以及傳統透射電鏡二維投影成像模式的限制，人們對實際晶體材料中的晶界結構的認知極其有限。
  • 我國首次解析硅藻光系統-捕光天線超級複合體結構—新聞—科學網
    硅藻是海洋主要的浮遊生物之一，貢獻了地球上每年原初生產力的20%左右，且在生物地球化學循環中起著重要作用，這些特徵與其光系統
  • Nature Materials:闡明TMDs中三維原子缺陷與電子結構關聯!
    、光學和化學性質，與它們的三維原子結構和晶體缺陷密切相關。原子電子層析成像(AET)可用於測定晶體缺陷和三維原子結構。然而，迄今為止，AET僅限於金屬納米顆粒和針狀樣品，而將其應用於二維材料的檢測仍存在較大難點。
  • 葡萄糖轉運蛋白GLUT3三維結構揭示
    原標題：葡萄糖轉運蛋白GLUT3三維結構揭示　　科技日報北京7月16日電 （記者林莉君）繼在國際上獲得第一個人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1的三維結構後，清華大學醫學院教授顏寧研究組再次解析出GLUT3的三維結構，清晰完整地展現了葡萄糖轉運蛋白工作的分子機理，為研製小分子腫瘤靶向藥物提供了直接結構依據。
  • 冷凍電鏡實現蛋白結構的原子水平解析
    冷凍電鏡實現蛋白結構的原子水平解析 作者：小柯機器人 發布時間：2020/10/25 22:25:16 近日，德國馬普研究所Holger Stark及其課題利用冷凍電鏡實現蛋白結構的原子水平解析
  • 《Matter》新發現：晶界的3D原子結構成像，經典理論模型得到證實
    晶界的結構和行為決定了材料的力學性能諸多物理性能。在上個世紀，通過使用二維(2D)表徵技術，在理解GB結構和幾何方面已經取得了相當大的進展。然而，多晶中晶界的研究通常是考慮總的晶界幾何，基於相鄰晶粒之間的晶體學關係，而非界面上實際原子位置及其相互作用。
  • 科學家揭示人類胚胎染色質三維結構動態變化
    國內兩支尖端科研團隊近來攜手攻關，共同揭示了人類早期胚胎中的染色質三維結構的動態變化，有助於更深一步了解生命發育過程。相關科研成果已通過長文形式發表在新近出版的《自然》雜誌上。這兩支科研團隊分別由中國科學院院士、山東大學生殖醫學陳子江教授和中國科學院北京基因組研究所劉江教授領銜。
  • 共同在《自然》發文揭示真核生物DNA複製解旋酶高分辨三維結構
    清華大學生命學院高寧研究組與香港科技大學戴碧瓘研究組共同在《自然》發文揭示真核生物DNA複製解旋酶高分辨三維結構　　清華新聞網7月31日電 7月29日，清華大學高寧研究組和香港科技大學戴碧瓘教授研究組共同在《自然》（Nature）雜誌上以長文形式在線發表了題為《真核生物DNA複製解旋酶MCM複合物的3.8
  • 「超離子冰」的原子結構終於被揭示!
    來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們使用巨型雷射將水快速凍結到它奇特的超電子相中，並記錄下x射線衍射圖，首次確定了它的原子結構——這一切都發生在十億分之一秒之內。現在LLNL的科學家們公布了新研究結果，利用雷射驅動的衝擊波和原位x射線衍射，在十億分之一秒內觀察到氧晶格的成核，首次揭示了超離子冰的微觀結構，這些數據還提供了對冰巨行星內部結構的進一步了解。LLNL物理學家費代麗卡·科帕裡(Federica Coppari)說：我們想確定超聲速水的原子結構。
  • 綠色植物和它們的「光合工廠」
    光合作用的研究始於兩百多年以前，經過幾代科學家的不斷探索，現在人們對光合作用的研究已經深入到了分子和原子水平。科學家告訴我們，光合作用是在植物細胞內的一個被稱為葉綠體的「光合工廠」中完成的。你看過電影《查理和他的巧克力工廠》麼？這個「光合工廠」就跟巧克力工廠一樣，有不同工種的工人在忙碌工作著。
  • 施一公團隊在剪接體三維結構及RNA剪接分子結構領域取得新進展
    8月21日，清華大學生命科學學院施一公教授研究組在國際頂級期刊《Science》同時在線發表了兩篇研究論文，題目分別為「3.6埃的酵母剪接體結構
  • Genome Res|多組學揭示二倍體基因組三維結構
    Genome Research雜誌上發表文章Diploid genome architecture revealed by multi-omic data of hybrid mice，該研究利用遠親雜交產生後代攜帶大量雜合位點的優勢來區分同源染色體的父本和母本，通過多組學技術研究雜交小鼠揭示同源染色體間的相互作用模式
  • Nature|嶽峰組揭示斑馬魚表觀圖譜和基因組三維結構
    可是現有的斑馬魚的基因組功能性研究多局限於對整個胚胎的研究，斑馬魚組織特異性的基因組功能元件系統圖譜和基因組三維結構仍然亟待揭示。從進化上說，斑馬魚的祖先與人類祖先在4億年前「分道揚鑣」，其歷經的差異進化時間遠長於小鼠與人類的一億年的差異進化時間。
  • 饒子和團隊Science解析「藥靶-藥物」三維結構,揭示一線抗結核藥物...
    結核分枝桿菌是引起結核病的病原菌，其細胞壁極為特殊，主要成分包括分枝菌酸（MA）、阿拉伯半乳聚糖（AG）、肽聚糖（PG）和脂阿拉伯聚糖（LAM）等，對結核菌起到天然保護作用。抑制細胞壁成分的合成被認為是合理的抗結核新藥研發思路。當前使用的一線抗結核藥物異煙肼、乙胺丁醇等均是通過抑制細胞壁合成發揮作用的。