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张兴教授团队解析古老绿硫细菌光合作用反应中心原子结构

2020年11月20日,《科学》(Science)在线发表了张兴教授团队的最新科研成果“Architecture of the photosynthetic complex from a green sulfur bacterium”(https://science.sciencemag.org/content/370/6519/eabb6350)。该团队率先解析了一种古老的光合细菌——绿硫细菌的光合反应中心空间结构,刷新了人类对古老光合生物的光合作用机制的认知,对于理解光合作用反应中心的“认祖归宗”(即进化生物学研究)具有重要的启示,对于利用植物光合作用原理,探索改善体内缺氧环境,发现疾病新的诊治手段有重要的前瞻性意义。


绿硫细菌是七大门类光合细菌中唯一一类反应中心空间结构未被解析的光合细菌。研究人员优化了样品制备的各环节以获得足够的蛋白样品,通过冷冻电镜技术收集了近万张样品颗粒的电子显微镜成像图片,最终在高达2.7埃分辨率下解析了绿硫细菌反应中心的结构。绿硫细菌的光合作用首先通过一个巨大的外周捕光天线捕获光能分子,再通过一些内周捕光天线向位于细胞膜的反应中心传递,这些收集和不断向内传递的能量能够激发反应中心内部的两个特殊的叶绿素分子,促进其产生电荷的分离。在这个过程中,光能转变成了电能(电子),这些电子通过下游的一系列载体继续传递并最终传递给一个末端的电子受体,产生还原力,将二氧化碳等无机物转变成有机物。


绿硫细菌的反应中心蛋白结构类似绿色植物中的光系统Ⅰ。而绿硫细菌的反应中心色素排列与光系统Ⅱ非常相似。兼具两种光系统结构特点的“混沌状态”暗示绿硫细菌的反应中心可能代表了进化早期的光合生物反应中心的特征。研究人员下一步将努力获取更多的支撑数据。未来有望通过人工模拟光合作用机制、仿生设计光敏器件;改造植物光反应系统、提高太阳能利用率,从而提高农作物产量,缓解日益突出的粮食和能源问题;借鉴光合作用原理,有助于解决人体病变组织缺氧问题,从而改善人体呼吸功能受损、抑制肿瘤发生。


论文第一作者为陈景华博士。研究得到了国家重点研发计划、中央高校基本科研基金、中科院前沿科学重点研究计划等资助。

发布日期:2020-12-25 浏览: 411