研究人員確定了在遠紅光下生長的光系統I和II中結構變化的位置
當藍藻生活在低光照條件下時，例如池塘表面下或森林地面上的植物冠層下，一些藍藻能夠從使用最有利于其生長和光合作用活動的可見光切換到收獲較弱的，過濾到他們身上的遠紅色陽光。目前的研究為這種藍藻利用遠紅光進行放氧光合作用的能力提供了結構基礎。圖片來源：Shireen Dooling，亞利桑那州立大學生物設計研究所
研究人員確定了允許在遠紅光下生長的光系統 I 和 II 中結構變化的位置。
由賓夕法尼亞州立大學科學家領導的一組研究人員已經確定了一些藍藻（以前稱為“藍綠藻”）的光合作用裝置發生變化的位置，這些藍藻允許生物體利用遠紅光生長。使用高分辨率低溫電子顯微鏡 (cryo-EM)，研究人員確定了藍藻內兩個光系統復合體中的位置，這些復合體結合了葉綠素色素的替代版本。這些替代物適應更長的波長，這使得藍藻能夠有效地利用遠紅光進行放氧光合作用。考慮到遠紅光中可用的能量相當于到達地球的總太陽輻射的 15%，這種能力使這些生物在與植物和其他藍藻競爭光進行光合作用方面具有優勢。
這些結構在《生物化學雜志》在線發表的兩篇論文中有所描述，最終可以幫助研究人員設計出可以使用更寬波長光譜進行生長的農作物。
“如果你在 10 年前問我是否可以在遠紅光下培養大多數藍細菌，我會笑的，”賓夕法尼亞大學生物技術教授、生物化學和分子生物學教授唐納德·A·布萊恩特 (Donald A. Bryant) 說國家和研究小組的負責人。“但事實證明，如果你把它們放在遠紅光下，一些藍藻會激活一組大約 20 個基因，使它們能夠修改它們的光合作用裝置和它們產生的葉綠素，以便它們可以利用遠紅光進行光合作用. 自 2013 年發現這一發現以來，我們一直在努力了解它是如何工作的。”
藍藻是通過產氧光合作用獲得能量的細菌，幾乎無處不在，包括溫泉、沙漠和極地等極端環境。它們是地球上最古老的生物之一，它們通過光合作用產生氧氣的能力被認為對早期地球大氣的變化很重要，這些變化為多樣化和復雜生命形式的進化鋪平了道路。它們也是重要的模式生物，在生物乙醇生產、膳食補充劑和食用色素方面具有潛在應用。
在遠紅光下生長的藍藻細胞的光系統 I（右）和光系統 II（左）的結構。兩項新研究確定了這些復合物的變化位置，這些變化使藍細菌能夠使用遠紅光進行光合作用。當在遠紅光下生長時，細胞在光系統復合物中用葉綠素 f（粉紅色輝光）取代了幾個葉綠素 a 分子，在光系統 II（紅色輝光）中用葉綠素 d 取代了單個葉綠素 a。這種單一的葉綠素 d 分子是光系統 II 的功能中心，是光觸發電子轉移的場所，電子轉移啟動水氧化產生氧氣的過程。信用：Girsiel 等人。JBC 297、101408 和 Gisriel 等人。JBC 297, 101424
當在正常的“白”光條件下生長時——即可見光，其范圍從波長約為 400 nm 的紫光到 700 nm 的紅光——藍藻主要使用葉綠素a來獲取光，葉綠素 a 吸收波長高達最大約 700 nm。當在遠紅光（高達約 800 nm）中生長時，一些陸地藍藻將部分葉綠素a轉化為葉綠素d和f，它們吸收更長波長的光。這些替代形式的葉綠素使這些生物能夠收獲遠紅光并將其有效地用于光合作用，這使得這些藍藻能夠在低光或過濾光環境中茁壯成長，例如在植物或樹木下生長。
“我們通過分離和表征復合物知道，光系統 I 包含 7 到 8 個葉綠素f分子，光系統 II 包含 1 個葉綠素d分子和 4 到 5 個葉綠素f分子，以及大約 90% 的原始葉綠素a，所以我們想知道這些變化發生在復合體的什么地方，”布萊恩特說。“弄清楚這一點的一種方法是確定復合物的結構，但由于它們如此龐大和復雜——化學差異如此之小——因此極具挑戰性。”
它們處于對抗病毒、細菌和惡性細胞的最前沿：我們免疫系統的 T 細胞。但是我們越老，我們的身體產生的它們就越少。因此，我們保持健康的時間也取決于 T 細胞存活的時間。巴塞爾大學的研究人員現在發現了一種以前未知的對 T 細胞活力至關重要的信號通路。
光系統 I 和 II 配合物很難結晶——因為它們是非常大的、膜結合的配合物——所以 X 射線晶體學（一種用于確定分子三維結構的標準實驗室方法）不太可能起作用。研究人員隨后轉向冷凍電鏡，但葉綠素分子形式之間的微小差異擴大了冷凍電鏡檢測分辨率的極限。葉綠素僅在幾個質量相似的原子上有所不同。
“我的合作者 Chris Gisriel 是耶魯大學 Gary Brudvig 實驗室的博士后研究員，他很幸運地為光系統 II 復合體實現了非常高分辨率的結構——2.25 埃 (?)——這使他能夠可視化某些方面的差異。葉綠素直接，”布萊恩特說。“葉綠素a和f之間的差異程度在于，分子中的兩個氫原子被一個氧原子取代，其組成為 C 55 H 72 MgN 4 O 5. 在包含近 100 個色素分子和 11 個蛋白質亞基的光系統 I 或具有 35 個葉綠素和 20 個蛋白質亞基的光系統 II 之類的復雜系統中，這些微小的變化就像在尋找幾根針和兩個非常大的干草堆。因為這些葉綠素具有允許利用遠紅光的特殊性質，所以準確了解這些分子的排列方式非常重要。”
大多數時候，氧原子與氫鍵結合，因此研究人員可以尋找靠近葉綠素分子正確位置的氫鍵供體。通過將這種方法和其他方法應用于使用冷凍電鏡確定的結構，他們能夠識別葉綠素f分子在兩個光系統復合物中的位置以及單個葉綠素d分子在光系統 II 中的位置。
“確定這種遠紅光吸收在自然界中如何發生的結構基礎是向前邁出的重要一步，”這兩項研究的第一作者 Gisriel 說。“在光系統 I 和 II 復合物中識別出葉綠素的替代形式結合的精確位置，可以為令人興奮的未來應用打開大門。例如，作物有可能被設計為收獲可見光譜之外的光。此外，利用來自較高作物下方陰影位置的過濾遠紅光，兩種作物可能會一起種植，種植較短的作物。或者，植物可以更緊密地種植在一起，因為樹冠下的葉子可以更好地捕捉光線。”
除了 Bryant 和 Gisriel，第一篇論文的研究小組，題為“來自海洋藍藻的光系統 I-鐵氧還蛋白復合物的結構提供了對遠紅光光適應的見解”，其中包括 David A. Flesher、沉高忠、Jimin Wang、Ming-Yang Ho 和 Gary W. Brudvig。資金由美國國家科學基金會和美國能源部基礎能源科學辦公室化學科學部提供。
第二篇論文的研究小組，題為“Structure of a monomeric photosystem II core complex from a cyanobacterium acclimed to far-red light reveal the functions of chlorophylls d and f”，包括沉高忠、何明陽、Vasily Kurashov、David A. Flesher、Jimin Wang、William H. Armstrong、John H. Golbeck、MR Gunner、David J. Vinyard、Richard J. Debus 和 Gary W. Brudvig。該研究得到了美國國家科學基金會、美國能源部、基礎能源科學辦公室、化學科學部、美國能源部、化學科學、地球科學和生物科學部、光合作用系統和美國國家科學基金會的支持。美國國立衛生研究院普通??醫學研究所。
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