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中國科學(xué)家破解光合作用Z重要“超分子機器”

閱讀：429發(fā)布時間：2016-5-23

　　植物光合作用的zui初光能吸收和轉(zhuǎn)換的過程由三個復(fù)合體協(xié)同完成，科學(xué)家稱之為“超分子機器”。其中，“光系統(tǒng)II”位于zui上游，極其重要，其結(jié)構(gòu)解析的難度非常大。
　　
　　5月20日，*生物物理研究所在北京召開新聞發(fā)布會宣布，該所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞-李梅研究組通力合作，解析了菠菜光系統(tǒng)II-捕光復(fù)合物II超級膜蛋白復(fù)合體（PSII-LHCIIsupercomplex）的高精度三維結(jié)構(gòu)。該項研究工作于北京時間5月19日在《自然》（Nature）期刊作為長篇主題論文（Article）在線發(fā)表。
　　
　　柳振峰告訴科學(xué)網(wǎng)記者，在單顆粒冷凍電鏡技術(shù)幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合體包含25個蛋白亞基、105個葉綠素分子、28個類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子，組成捕光天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心系統(tǒng)以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心等三個部分的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，光系統(tǒng)II獲取、傳遞和轉(zhuǎn)換光能的機制也得以揭示。其中，圍繞在復(fù)合物外周的“捕光天線”促進了光系統(tǒng)II捕獲太陽能的能力。
　　
　　光合作用中，光系統(tǒng)II扮演著將光能轉(zhuǎn)換成電能和裂解水的重要角色，被認為是人工模擬光合作用的理想模板。近年來，科學(xué)家對藍細菌、藻類和高等植物的光系統(tǒng)II進行了結(jié)構(gòu)解析。之前圍繞植物光系統(tǒng)II解析結(jié)果的精度不夠高，結(jié)構(gòu)不完整，科學(xué)家無法準確認識植物光系統(tǒng)II的工作機制。“由于高等植物的光系統(tǒng)II的復(fù)雜性質(zhì)，穩(wěn)定均一的樣品一直難以獲得，三維結(jié)晶工作遇到瓶頸。”柳振峰表示。
　　
　　為攻克樣品制備的難題，常文瑞-李梅研究組對十幾種不同植物開展研究。李梅說：“每次到市場買研究用的蔬菜，都是十斤十斤地買，已經(jīng)記不清買了多少次。”研究人員選取了不同來源、不同組成的光系統(tǒng)II超大復(fù)合物進行比較，優(yōu)化出高等植物光系統(tǒng)II超大膜蛋白復(fù)合物樣品的分離制備的流程，為后續(xù)實驗獲得了高質(zhì)量的樣品。
　　
　　2015年開始，章新政研究組加入團隊，嘗試以冷凍電子顯微鏡技術(shù)解析該超級復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)。章新政告訴科學(xué)網(wǎng)記者，經(jīng)過初步照片、冷凍制樣和冷凍電鏡數(shù)據(jù)、建立三維結(jié)構(gòu)初始模型、將三維結(jié)構(gòu)推進到中等分辨率等步驟，菠菜光系統(tǒng)II的復(fù)合物終于清晰地呈現(xiàn)出來，精度達到3.2埃分辨率。“每一步都遇到了*的困難和挑戰(zhàn)。”他說。
　　
　　這項工作得到了*B類先導(dǎo)《生物超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控》專項、*973重大科學(xué)問題導(dǎo)向項目《光合作用與“人工葉片”》和自然科學(xué)基金的共同資助。有關(guān)研究在中科院生物物理研究所生物大分子國家重點實驗室和中科院生物大分子中心完成。
　　
　　此前，常文瑞課題組曾于2004年用X-射線晶體衍射的方式成功解析了菠菜光系統(tǒng)II的“捕光天線”的晶體結(jié)構(gòu)，這是世界上*源于高等植物光系統(tǒng)II的光合膜蛋白高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，促進我國在光合作用捕光機理和膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面的研究進入*行列。

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