Science完整展示光合作用体系

　　

生物通报道：当阳光照射到一个能进行光合作用的生物时，生物所捕获能量在蛋白之间流动，最终成为电荷被捕获。这一过程最终为生物的生长和行动提供了支持。

举例来讲，蓝藻的光合作用体系由三种蛋白复合体组成：藻胆体、光合系统I和光合系统II。这三种复合体只有在精确定位的情况下，才能行使正常功能。如果蛋白之间的距离过远，能量转移太慢，会最终导致生物的死亡。

迄今为止人们还未能明确，上述三种蛋白是如何相互联系组成大复合体的。由于破坏了将蛋白连接起来的弱链，此前分离大复合体的尝试均以失败告终。

日前，华盛顿大学的科学家们利用新技术，成功提取了完整的光合作用大复合体，并检验了它的整体功能，文章于十一月二十九日发表在Science杂志上。研究人员利用化学交联来缝合大复合体中的蛋白，并在保证功能的同时，将大复合体完整的分离出来。

这项研究是在美国能源部赞助的PARC（Photosynthetic Antenna Research Center）研究中心完成的。PARC主管Robert Blankenship博士指出，这一成果有望帮助人们增加农作物的光合效率，现在亟需这样的技术来应对世界人口的日益增加。

蓝藻（cyanobacterium）是常用于光合作用研究的一种模式生物。根据化石判断，蓝藻已有三十五亿年历史，被认为是第一批向原始大气释放氧气的生物。

光合作用生物能够通过多种分子组成的结构捕获光，并将激发能转移到反应中心，以电荷形式储存能量。蓝藻通过藻胆体捕获光，藻胆体位于光合系统II的上方，光合系统I的斜对角。

PARC的科学家刘海军（音译Haijun Liu）博士，提出了将光合作用大复合体交联起来的方案。研究人员通过基因工程，标记了蓝藻光合系统II的底部，并用起缝合作用的试剂处理改造后的蓝藻细胞。裂解这些细胞，就可以利用标记提取光合系统II，以及与之相连的其他蛋白。

为了分析这些蛋白之间的联系，研究人员对蛋白进行反复的切割，通过质谱在单个氨基酸水平上进行研究。他们将质谱得到的氨基酸序列，与已知的蛋白复合体序列进行比对，以确定不同蛋白之间的交联位点，以便建立光合作用大复合体的总体结构。随后，研究人员在完整的大复合体中激发藻胆体，并追踪了复合体中的能量传递，一般这样的能量转移发生在1皮秒以内。

长期以来，人们一直希望理解光合作用蛋白之间的组织形式，而这项新研究解决了这一问题。此外，这种先交联再进行质谱分析的方案，也可以用来解析其他的蛋白复合体。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Phycobilisomes Supply Excitations to Both Photosystems in a Megacomplex in Cyanobacteria

In photosynthetic organisms, photons are captured by light-harvesting antenna complexes, and energy is transferred to reaction centers where photochemical reactions take place. We describe here the isolation and characterization of a fully functional megacomplex composed of a phycobilisome antenna complex and photosystems I and II from the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. A combination of in vivo protein cross-linking, mass spectrometry, and time-resolved spectroscopy indicates that the megacomplex is organized to facilitate energy transfer but not intercomplex electron transfer, which requires diffusible intermediates and the cytochrome b6f complex. The organization provides a basis for understanding how phycobilisomes transfer excitation energy to reaction centers and how the energy balance of two photosystems is achieved, allowing the organism to adapt to varying ecophysiological conditions.