Science：精细解析最古老的光合作用反应中心

亚利桑那州立大学（ASU）和宾夕法尼亚州立大学的分子科学家们在《Science》杂志发表在线文章，这篇文章揭示了一个光合作用反应中心结构，使科学家们得以洞察光合作用的演化。

　　

寻找光合作用始祖

“大约30亿年前，光合作用登上地球舞台，从此地球逐渐生成了氧气圈，”亚利桑那州立大学（ASU）分子科学教授。“特殊化的膜蛋白运转着光合作用，它们被称作光合反应中心，在这里蛋白质运用来自光的能量将电子从一个细胞电子载体泵到另一个载体，将电磁波（即光）能转化为生命体可以使用的化学能。”

尽管这些世界上光合作用反应中心为了满足不同的化学反应，呈多样化，但其相同的总体架构却反映了它们的共同起源。

该小组认为，首个反应中心（reaction center，RC）比现今存在的版本简单得多。在蛋白质结构方面，这是一个同型二聚体（两个相同的多肽共同组成了一个对称结构）。虽然现有的RC都是异二聚体，但其核心仍保留了原来的对称性结构遗迹。

heliobacterium是现存的最原始的光合细菌成员，不产氧气也完全不能在氧气中存活（厌氧），它们可以固定大气中的二氧化碳。这项研究惊奇地发现heliobacterium的RC是同型二聚体。

当今存留的首个RC同型二聚体的发现为RC原始结构的揭示提供了几条新线索。

在蛋白质的整体架构方面，它与光合作用植物、蓝藻和紫硫细菌RC非常相似。但在一些关键的化学组成上存在差异，例如heliobacterium的RC能利用水溶性和脂溶性载体，在此之前，人们认为RC只能利用一种载体。

历时八年的结晶工作

8年前宾夕法尼亚州立大学的John Golbeck和ASU生物设计学院应用结构生物学中心的Kevin Redding助理研究教授决定联手挑战heliobacterial的RC结构。

4年前分子科学学院的助理研究教授Raimund Fromme正式加入他们的项目，他曾经与Redding课题组的博后学者Iosifina Sarrou研究过RC的结晶学，Sarrou优化了RC的纯化方法。

随后，Redding实验室的博士生Christopher Gisriel与Fromme合作着手开展RC的结晶工作并最终获得蛋白质结构的精细全貌。

“这种RC只存在于厌氧生物体内，生存环境类似早期地球，”Gisriel说。“这项工作打开了一扇大门，使全世界的科学家得以比较原始反应中心和耐氧型的更高级的反应中心的特性。让我们可以更透彻地了解自然是如何优化光驱动的能量收集。”

本课题由化学科学、地理科学、生物科学部和美国能源部基础能源科学办公室资助，X射线晶体学设备和所应用的基础设施来自亚利桑那州立大学应用结构发现生物设计中心。

从退伍兵到科学家

“我相信Chris（指Christopher Gisriel）和Raimund一定能得到它的结构，”ASU能源和光合作用中心主任Redding说道。

“Raimund的专长是结晶和解析膜蛋白，而蛋白结晶是解析结构的关键前提。Chris非常努力地改善提纯方法，优化结晶条件，试验了无数次。因为蛋白质本身对氧敏感，他不得不在手套箱内做所有纯化和结晶实验！”

“身为结晶工作者，一切等待都是值得的，”Fromme说，为了得到完美适应X射线衍射的蛋白质晶体，等待晶体生长有时需花费好几年时间。

Redding补充说：“经历了几年艰苦卓绝的工作，他们最终将分辨率从10 Å提升到了2-2.5 Å。接下来，是更困难的结构解析任务。Chris不分昼夜、自学新软件，依靠着仅有的参考模型，蓝藻光合系统I，钻研了好几个月，最终还原了heliobacterial RC原貌。在此基础上，Raimund开始接力下一步的升华工作。他们共同创造了一个接近完美的极高分辨率结构。”

“Chris曾是美国陆军军人，在阿富汗服役过，退伍后他来到ASU主修生物化学专业，我第一次在实验室见到他时他还是一名本科生。从未认真考虑过从事科研工作的他，起初并不确定自己究竟能走多远。出乎意料的是，他很快对晶体学产生了兴趣，于是我招他做我的硕士研究生参与RC结晶学项目。尽管我告诫过他，这是一项极难的工作，成功几率很小，但他依然锲而不舍。他后来决定继续攻读博士学位。本学期末是他的博士论文答辩，我为他感到无比自豪。”

从左至右：ASU分子科学学院的Raimund Fromme，Christopher Gisriel，Kevin Redding

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原文标题：Structure of a symmetric photosynthetic reaction center–photosystem