近日，中國海洋大學海洋生命學院、海洋生物多樣性與進化教育部重點實驗室、深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心張玉忠教授團隊與華中農(nóng)業(yè)大學高軍教授合作，在Science Advances發(fā)表題為“Architectures of photosynthetic RC-LH1 supercomplexes from Rhodobacter blasticus”（生芽紅細菌光合膜蛋白超分子復合物RC-LH1的結(jié)構(gòu)與組裝機制）的研究論文。海洋生命學院劉魯寧教授、張玉忠教授和華中農(nóng)業(yè)大學高軍教授為該論文的共同通訊作者，海洋生命學院王鵬副教授為并列第一作者。中國海洋大學是該論文的第一完成單位和通訊作者單位。
光合作用是植物、藻類和許多微生物將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能的關鍵過程，為地球上的大多數(shù)生命提供能量。光合厭氧紫細菌是地球上最早出現(xiàn)的生命之一，也是研究細菌光合作用的理想模式生物。在紫細菌中，光反應首先發(fā)生在光化學反應中心（Reaction Center，RC）和捕光復合物1（Light-harvestingcomplex1，LH1）形成的超分子光合膜蛋白元件RC-LH1中。RC-LH1由多個αβ-異二聚體組成的LH1天線環(huán)繞在RC周圍，LH1將激發(fā)光能傳遞給RC，隨后發(fā)生光誘導的電荷分離反應，產(chǎn)生的電子再通過RC-LH1結(jié)合的醌分子向下游傳遞，驅(qū)動化學能轉(zhuǎn)化。紫色光合細菌的RC復合物是第一個被晶體解析的膜蛋白結(jié)構(gòu)，并獲得1988年諾貝爾化學獎。盡管RC-LH1在光合反應中的功能具有一定的保守性，但在不同光營養(yǎng)細菌中，其組裝及結(jié)構(gòu)差異顯著。
為深入探究紫色光合細菌的結(jié)構(gòu)差異及其在光捕獲和電子傳遞中的優(yōu)化策略，本研究選擇了典型的生芽紅細菌（Rhodobacterblasticus）作為研究對象，其具有能夠產(chǎn)生二聚體RC-LH1復合體的能力。通過冷凍電鏡技術，研究解析了該菌株中兩種RC-LH1復合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，首次揭示了其在光合作用中的結(jié)構(gòu)特點。研究發(fā)現(xiàn)，Rba.blasticus的RC-LH1復合物有單體和二聚體兩種組裝形式(圖1)。RC-LH1單體由一個光反應中心（RC）和一個開放的LH1環(huán)組成，該環(huán)包含15個αβ異二聚體亞基，形成了一個不完全閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，缺口由跨膜多肽PufX填充。RC-LH1二聚體則由兩個RC-LH1單體組合而成，在其二聚化界面處，兩個PufX亞基相互交叉，促成了二聚體的形成。與模式光合紫色細菌類球紅細菌Rhodobacter sphaeroides相比，Rba.blasticusRC-LH1二聚體作用界面和相互作用存在較大差異，導致其形成了更扁平的二聚體構(gòu)象。且生芽紅細菌Rba.blasticusRC-LH1二聚體相比類球紅細菌Rba.sphaeroides多包含兩個LH1復合體，并且缺少PufY亞基。這些特異的結(jié)構(gòu)特征導致生芽紅細菌RC–LH1二聚體形成相對封閉的“S形”LH1環(huán)。
圖1.野生型生芽紅細菌RC-LH1光合復合物單體(A)和二聚體(B)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
文章進一步詳細描述了Rba.blasticus的RC-LH1復合物中電子載體醌/醌醇交換的可能途徑，發(fā)現(xiàn)了多個UQ-10醌分子在復合物內(nèi)的分布，以及PufX介導的開口和通道結(jié)構(gòu)（圖2）。研究進一步證明，這種相對封閉的“S形”LH1環(huán)對RC-LH1二聚體的電子傳遞速率有顯著的影響。這一實驗結(jié)果有力的證實了RC-LH1復合物中LH1環(huán)開口對醌/醌醇的擴散起到了關鍵的調(diào)節(jié)作用，在光合作用中能量和電子傳遞過程中至關重要。
圖2.RC–LH1超分子復合物的質(zhì)體醌轉(zhuǎn)運途徑。(A)單體RC–LH1的醌轉(zhuǎn)運途徑。(B)二聚體RC–LH1的醌轉(zhuǎn)運途徑。箭頭表示醌分子擴散途徑。
隨后，研究進一步探討了不同細菌RC-LH1光合復合物在結(jié)構(gòu)上的多樣性和精細的模塊化組裝過程。不同的光營養(yǎng)細菌通過靈活高效的進化策略，優(yōu)化了其光捕獲和電子傳遞的機制。這些特征和調(diào)節(jié)機制使得光合細菌能夠在外界環(huán)境不斷變化和競爭激烈的生態(tài)系統(tǒng)中，持續(xù)高效地利用光能，確保其生存優(yōu)勢。
本研究不僅加深了我們對光合作用基本機制的理解，還為設計人工光合系統(tǒng)和開發(fā)新型可再生能源技術提供了寶貴的靈感。通過模仿自然界的這些精巧設計，有望開發(fā)出更高效、更環(huán)保的能源解決方案。
張玉忠教授研究團隊長期從事光合作用的研究，本研究是繼藍藻光合膜結(jié)構(gòu)（NatPlants,2020,6:869）、隱藻PSI–LHCI和PSII結(jié)構(gòu)（PlantCell,2023,35:2449；NatCommun,2024,15:4999）及共生甲藻PSI–LHCI和結(jié)構(gòu)（NatCommun,2024,15:2392）研究之后又一個光合作用研究的重要進展。
該論文由中國海洋大學、華中農(nóng)業(yè)大學等單位相關學者合作完成。本研究得到了科技部重點研發(fā)項目、國家自然科學基金的支持。
通訊員：李春陽
相關鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp6678
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