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揭秘30亿年前地球原始光合生物如何进行光合作用

浙大学者解析古老绿硫细菌光合作用反应中心原子结构,成果登《科学》!

发布时间:2020-11-20来源:浙大新闻办作者:柯溢能 吴雅兰 卢绍庆0

光合作用是地球上最重要的化学反应,是规模最大的太阳能转换过程。光合生物通过把太阳光能转变成化学能,固定二氧化碳为有机物,同时释放出氧,为地球上绝大多数生命提供食物和氧气。光合生物是自然界最高效的太阳能固定“机器”,平均每年通过光合生物的光合作用所同化的太阳能约为人类所需能量的10倍。光合作用不仅驱动着我们地球的环境变化、推动着高级生命的起源和进化,也使得人类文明的诞生和发展成为可能。

光合作用反应中心如何工作?如何起源进化?我们人类能否利用自然界的光合作用机制来提高太阳能利用效率?科学家们一直在积极对光合作用机理开展广泛的研究,寻找这些问题的答案可以帮助我们解决粮食、能源和环境问题。

近日,浙江大学医学院、良渚实验室联合中国科学院植物研究所在全球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。该研究刷新了人类对古老光合生物的光合作用机理的认知,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)具有重要的启示意义。

这一研究于北京时间20201120,刊登在国际顶级杂志《科学》,论文第一作者为浙江大学医学院附属邵逸夫医院/浙江大学冷冻电镜中心博士后陈景华,通讯作者为浙江大学医学院附属邵逸夫医院/浙江大学冷冻电镜中心、良渚实验室张兴教授和中国科学院植物研究所匡廷云院士、沈建仁研究员。


追本溯源 刨根问底

反应中心是光合作用过程中实现光能-电能转化的核心结构,主要由光合膜上的色素蛋白复合体构成。根据不同反应中心的结构特点,一般将其分为以铁硫簇为末端电子受体的I型(type-I)反应中心和以醌为末端电子受体的II型(type-II)反应中心。在产氧光合生物例如蓝细菌和绿色植物中,这两类反应中心分别进化为两个不同分工的光系统,即光系统I和光系统II。其中,光系统II负责将水裂解后制造氧气;光系统I吸收太阳能,转变成化学能,固定二氧化碳,制造食物。

早期地球不含氧气,是产氧光合作用把早期地球大气改造成有氧环境,对高等生物的出现和进化具有及其重要的作用。光反应过程复杂,反应中心蛋白的空间结构也极其复杂,因此在地球几十亿年的历史中只进化产生过一次,现在地球上的所有光反应中心蛋白都是从同一个祖先蛋白进化而来。追本溯源,科学家希望能够研究了解在早期地球环境下,古老的光合反应中心是什么样的空间结构,和现在高等植物的光合反应中心有何不同?早期的光合生物是怎么转化太阳能,同时又是如何一步步进化、提高能量转化效率的。然而沧海桑田,如今的地球与几十亿年前的环境已经有了天壤之别。如何找到合适的研究对象成为了首要问题。

科学家们看中了光合细菌。这是一种35亿年前就在地球上出现的古老的原核生物体,它们或许保留着原始的光合作用系统。在经历漫长的生物进化和多次对生物界具有毁灭性的气候大灾变后,这些古老的生物依然顽强地活着。

绿硫细菌是光合细菌大家庭中的一员,这类细菌能够从硫化氢、胶体状硫黄和硫代硫酸盐等物质获得电子而进行厌氧的光合作用。它们生活在例如印度尼西亚的Matano湖和黑海约110-120米的深水中,在那里,光照变得极其微弱,每个细菌一天也就能够捕获少量的光子。更有甚者,在墨西哥海岸附近发现有一种绿硫细菌,生活在水深2500米太平洋中的海底黑烟囱周围。在这么深的海底,阳光已无法企及,它们只能依靠热洋流的微弱热辐射而生存。那么,是什么让绿硫细菌在光照如此微弱的环境下仍能够进行光合作用呢?绿硫细菌的光合作用系统在结构上和其他细菌又有哪些差别呢?

令人感到遗憾的是,尽管绿硫细菌已被发现数十年了,科学家们对它内部的光合作用系统的详细构造仍然了解甚少。这也使得它成为七大门类光合细菌中唯一一类反应中心空间结构没有被解析的光合细菌。


反应中心 内有乾坤

为何之前的科学家始终没有看清绿硫细菌反应中心原子结构层面的“乾坤奥秘”呢?首要原因在于绿硫细菌反应中心的样品制备极其困难。这是因为绿硫细菌作为一种厌氧菌对周围环境要求非常苛刻,反应中心复合体在有氧条件下极不稳定,低浓度的氧气就容易导致其变性。另一个原因是早期对于生物大分子结构的解析主要借助X射线晶体学,这种方法需要较多的样品且对样品的纯度和均一度都有很高的要求。双重因素下解析绿硫细菌反应中心的结构变得困难重重。

浙大科研团队通过冷冻电镜技术,很好地解决了这一难题。他们优化了样品制备的各环节,获得了足够的蛋白样品,收集了近万张样品颗粒的电子显微镜成像图片,最终在世界上首次解析了绿硫细菌反应中心的结构,分辨率高达2.7埃,在该分辨率下,古老绿硫细菌反应中心的庐山真面目被首次揭开。

1 绿硫细菌光合作用系统及内周捕光天线-反应中心复合体结构模型

科研团队发现,绿硫细菌的光合作用首先是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,光能就会转变成了电能(电子),之后,这些电子会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。

“之前科学家们推测绿硫细菌的反应中心是类似于绿色植物中的光系统I的。但我们从结构上‘看到’虽然它与光系统I有相似的地方,比如它们的蛋白结构比较像,但也有明显区别,绿硫细菌反应中心的色素数量比光系统I的要明显减少,而且色素的空间排布也不一样。”张兴介绍说,有意思的是,他们发现绿硫细菌的反应中心色素排列跟光系统II非常相似。“这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古老特征。”

2 绿硫细菌反应中心与其他光合反应中心的色素排列比较(垂直于细胞膜平面视角)

从细胞膜平面的角度看,绿硫细菌反应中心的色素分子分为上下两层,两层叶绿素之间有一条“过道”。张兴说,在目前已经解析的反应中心结构中,“过道”里有一种作为桥梁的分子,可以把上层的能量传到下层,但是绿硫菌没有这个桥梁分子,上层与下层的能量就像“隔空抛物”一样传递。

3 绿硫细菌反应中心与其他光合反应中心的色素排列比较(平行于细胞膜平面视角)

“这也进一步验证了绿硫细菌反应中心,能量的传递效率比其他光合细菌的反应中心低很多。”陈景华介绍,效率低的另一个原因是,他们从结构中发现,绿硫细菌的内周捕光天线与反应中心的色素分子之间间隔距离较远,导致能量传递困难。


解析结构 认祖归宗

根据生物进化优胜劣汰的原理反推,越是进化完善的,越是“后生”的,越是不完善的,越是古老的。“地球上所有现存的光合作用反应中心都起源于相同的‘祖先’(一类原始的反应中心蛋白),并由该蛋白不断进化而形成现有的各种各样的反应中心。”张兴说,在高等植物中存在两种不同的光反应系统(光系统I和光系统II),且各自是由不一样的中心蛋白构成,科学界的普遍共识是,地球上最早的反应中心是由两个相同的蛋白构成的同源二聚体,在进化的过程中两个中心蛋白慢慢发生变化,从两个一样的蛋白变成了两个不一样的异源二聚体蛋白,“而此次解析到的绿硫细菌反应中心正是这样由两个相同的蛋白构成的同源二聚体。”

张兴课题组的研究证明,绿硫细菌反应中心是目前唯一发现具有两类反应中心结构特征的分子,填补了人类对光反应中心结构认知的空白。论文评审专家表示:“这项研究对于揭示30亿年前地球原始光合生物如何进行光合作用具有重要的启示,对于理解光合作用反应中心的进化极其重要。”

了解了反应中心的结构特征之后,课题组下一步研究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。

(文 柯溢能 吴雅兰/摄影 卢绍庆 科研图片由团队提供)