《Nature》：科學家捕獲了藍藻光合作用的“觸角”

　　研究人員幫助揭示了迄今為止最詳細的重要生物“觸角”的圖像。

　　大自然已經進化出通過光合作用來利用太陽的能量的結構，但這些陽光接收器不屬于植物。它們存在于被稱為藍藻的微生物中，藍藻是地球上第一個能夠吸收陽光、水和二氧化碳并將其轉化為糖和氧氣的生物的進化后代。

　　8月31日發表在《自然》(Nature)雜志上的這一發現立即為微生物的光合作用提供了新的線索——特別是光能是如何被捕獲并發送到需要它的地方，以推動二氧化碳轉化為糖。展望未來，這些見解還可以幫助研究人員修復環境中的有害細菌，開發用于可再生能源的人工光合系統，并在以二氧化碳和陽光為原材料的可持續制造中招募微生物。

　　自然科學學院Hannah結構生物工程特聘教授Cheryl Kerfeld說:“利用藍藻細菌作為太陽能工廠，捕獲陽光并將其轉化為一種可以用于制造重要產品的能量，這方面有很多興趣。有了我們在這項研究中提供的藍圖，你可以開始考慮調整和優化光合作用的光收集組件。”

　　“一旦你了解了某些東西是如何工作的，你就能更好地了解如何修改和操縱它。這是一個很大的優勢，”Kerfeld Lab實驗室的高級研究員Markus Sutter說。該實驗室在密歇根州立大學(MSU)和加州伯克利實驗室(Berkeley Lab)運作。

　　藍藻的觸角結構被稱為藻膽體，是色素和蛋白質的復雜集合，它們組裝成相對巨大的復合體。

　　幾十年來，研究人員一直致力于將藻膽體的不同組成部分可視化，試圖了解它們是如何組合在一起的。藻膽體是脆弱的，需要這種零碎的方法。過去，研究人員一直無法獲得完整天線的高分辨率圖像，以了解它們如何捕獲和傳導光能。

　　現在，由于一個國際專家團隊和冷凍電子顯微鏡技術的進步，藍藻光收集天線的結構幾乎是原子分辨率。該團隊包括來自密歇根州立大學、伯克利實驗室、加州大學伯克利分校和捷克共和國南波西米亞大學的研究人員。

　　Kerfeld說:“我們很幸運成為一個由專業知識互補的人組成的團隊，他們一起工作得很好。”

　　“充滿驚喜的長途旅行”

　　“這項工作是光合作用領域的一個突破，”Paul Sauer說，他是Eva Nogales教授在伯克利實驗室和加州大學伯克利分校低溫電子顯微鏡實驗室的博士后研究員。

　　Sauer說:“到目前為止，藍藻細菌的天線的完整的光收集結構一直缺失。我們的發現幫助我們理解進化是如何在細菌中把二氧化碳和光轉化為氧氣和糖的，這比地球上任何植物都要早得多。”

　　和Kerfeld一樣，紹爾也是這篇新文章的通訊作者。該團隊記錄了幾個顯著的結果，包括發現了一種新的藻膽體蛋白質，并觀察到藻膽體定向光棒的兩種新方式，這是以前沒有解決的。

　　一個令人驚訝的發現是，一個相對較小的蛋白質可以充當巨大天線的電涌保護器。在這項工作之前，研究人員知道，當藻膽體吸收了過多的陽光時，它可以把一種叫做橙色類胡蘿卜素蛋白(OCPs)的分子圈起來。OCPs以熱量的形式釋放多余的能量，保護藍藻的光合系統不被燒毀。

　　到目前為止，關于藻膽體可以結合多少個OCPs以及這些結合位點在哪里一直存在爭議。這項新研究回答了這些基本問題，并提供了潛在的實用見解。

　　這種浪涌保護系統——被稱為光保護，在植物世界中也有類似的系統——自然傾向于浪費。藍藻在完成光保護功能后，關閉它們的速度很慢。克爾菲爾德說，現在，有了浪涌保護器工作原理的完整圖景，研究人員可以設計出“智能”的方法，減少浪費的光保護。

　　而且，盡管藍藻有助于使地球適合人類和無數其他需要氧氣生存的生物生存，但藍藻也有黑暗的一面。藍藻在湖泊、池塘和水庫中大量繁殖，產生的毒素對當地生態系統以及人類和他們的寵物都是致命的。有了一份藍圖，讓細菌不僅能收集太陽能，還能保護自己不受太多太陽能的傷害，這可能會激發新的想法來攻擊有害的花朵。

　　除了這項工作提供的新答案和潛在應用之外，研究人員還對它提出的新問題和它可能激發的研究感到興奮。

　　“如果你把它想象成樂高積木，你就可以不斷增加，對吧?”這些蛋白質和色素就像制造藻膽體的塊狀物，但藻膽體是光系統的一部分，在細胞膜上，是整個細胞的一部分。”Sutter說。“從某種程度上說，我們正在攀登事業的階梯。我們發現了一些新的東西，但我們不能說我們已經解決了整個系統。”

　　Domínguez-Martín表示:“我們已經回答了一些問題，但我們也為其他問題打開了大門，對我來說，這就是突破。我很期待看到這個領域今后的發展。”