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杭州师范大学课题组在嗜热光合绿丝菌核心复合体的空间结构解析
方面取得突破进展

发布时间:2018-04-28 阅读数:1974

2018419日,杭州师范大学生命与环境科学学院辛越勇课题组和医学院衰老研究所徐晓玲课题组与中科院生物物理研究所孙飞课题组合作研究取得突破进展,研究成果“Cryo-EM structure of the RC-LH core complex from an early branching photosynthetic prokaryote”以杭州师范大学为第一完成单位在国际顶级学术期刊Nature Communications上在线发表。该项工作报道了一种嗜热光合绿丝菌的反应中心与捕光天线形成的核心复合体的高分辨率电镜结构,揭示了光合绿丝菌进行高效光能吸收、传递和转换的分子基础。

光合作用是地球上最重要的光能转化过程,为生命的存在和繁衍提供物质和能量基础。对光合作用机理的深入研究不仅具有重要的理论意义,并且对太阳能应用研发具有指导意义。光合作用起源于细菌,经过亿万年的进化,通过有关基因在各类光合生物之间的“穿越”从原核的细菌扩展演变到真核的藻类和植物,呈现出千姿百态的多样性。光合作用发生在多种超分子复合体分布的光合膜上,捕光天线含有种类繁多的色素分子,捕获光能后通过激子或偶极共振效应实现能量的传递。当激发能被反应中心吸收后,发生原初电荷分离,光能转化成电势能。再经过一系列电子传递和质子转移,电势能再转换成可以被生物体利用和储存的化学能。

光合绿丝菌是一种嗜热的光合细菌,其光合体系具有独特而高效的能量传递和电荷转移机制。生物进化分析指出其进化地位更加接近于所有光合生物的共同祖先,所以被认为是研究光合作用机理、起源和进化以及新能源开发利用的理想物种。其光合系统的特殊之处在于,其外周捕光天线类似于绿色细菌而内周天线和反应中心又类似于紫色细菌。并且其捕光天线为嵌合型捕光天线LH,集成了紫细菌中的LH2LH1的光吸收特征,与反应中心形成超分子复合体,即使在弱光条件下仍然可以高效地捕获光能并完成能量转换。解析该复合体的完整结构对于人们认识其亚基组成、空间排布方式、色素结合位点及相互取向和距离等具有重要的科学意义。

该项研究利用冷冻电镜单颗粒技术解析了嗜热光合玫瑰菌核心复合体RC-LH的三维结构,分辨率达到4.1埃。该结构是首个嗜热光合绿丝菌RC-LH复合体的高分辨率三维结构。它包括由LM和细胞色素c亚基组成的反应中心、围绕在反应中心周围的由15LHαβ亚基形成的带有一个特殊缺口的椭圆形捕光天线环以及众多的辅助因子。该项研究展示了捕光天线亚基对之间以及它们与反应中心的相互作用方式和机制;阐明了该复合体相较同类复合体更高的电子传递效率归因于细胞色素c亚基N端的一段独特跨膜螺旋;提出了该核心光复合体的反应产物醌进出的路径。研究结果将有效推进对光能转化分子机理的研究。

该项工作由杭州师范大学与中科院生物物理研究所等多个单位合作完成。杭州师范大学生科院的辛越勇副研究员和生物物理所的师扬博士及牛彤欣硕士为本文共同第一作者,我校医学院衰老研究所的徐晓玲教授和中科院生物物理所孙飞研究员为本文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金(31570738 31400630-徐晓玲)、科技部973计划(2014CB910700-孙飞,2011CBA00904-辛越勇)和浙江省自然科学基金(LY14C050002-徐晓玲)等项目的资助。数据收集工作得到了生物物理所生物成像中心研究平台有关工作人员的大力支持和帮助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-03881-x

 

                                     


                                      图注:RC-LH复合体的三维结构图。

 

(杭州师范大学徐虹)

 

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