有关光合作用机器内部的独特洞察

研究人员在低温电子显微镜的帮助下，成功地获得了模式植物拟南芥光系统II（光合作用的中心复合体）的高分辨率图像。这个巨大的复合体负责光合作用中重要的氧气生产，而光合作用曾经使地球上的生命成为可能。

　　

在低温电子显微镜的帮助下，Umeå的研究人员首次成功地获得了模式植物拟南芥光系统II（光合作用的中心复合体）的高分辨率图像。这个巨大的复合体负责光合作用中重要的氧气生产，而光合作用曾经使地球上的生命成为可能。这项研究发表在Scientific Reports。

“这种结构为我们提供了光系统II中各种辅助因子的详细信息，如叶绿素和脂质分子。我们还成功地展示了清洁剂在哪里以及如何结合并影响复合物的稳定性，”瑞典Umeå大学化学系教授Wolfgang Schröder说，他领导了这项研究。

植物研究人员的“实验小鼠”是拟南芥(Arabidopsis thaliana)，这种植物已经存在了25年。这种“杂草”即使在北纬瑞典也能快速生长。2000年，研究人员成功地对其所有基因进行了测序。

光合作用过程的核心是光系统II复合体。它含有近30种不同的蛋白质和许多辅助因子，如不同的色素和金属，它毫无疑问是植物叶绿体中最大的复合物之一。这项研究现在公布的结构与之前从菠菜和豌豆中获得的两个结构具有相同的高分辨率，这首次使植物的光系统II复合体具有相同的细节水平。

“自从1983年我成为隆德大学植物蛋白质化学博士研究生以来，我就一直在研究这种复合物，”Wolfgang Schröder说。“我记得当我还是博士生的时候，在喝咖啡的休息时间，我开玩笑说:‘想想你是否可以深入到光系统II，四处看看。’今天，有了新技术和我才华横溢的博士生André Graça，以及我的两位出色的研究同事Michael Hall和Karina Persson，我们现在已经能够做到这一点。”

研究人员使用的技术被称为“低温电子显微镜”(2017年诺贝尔化学奖)，它的简单含义是将生物样本射入液态乙烷(零下190摄氏度)。从随机方向选取近10万张二维EM粒子图像。利用几种计算资源，收集的二维图像可以用来重建三维结构。

“此外，看到我们之前对复合物的生化分析是否正确是非常令人兴奋的。通常，只有来自不同实验室的更大的研究团队才能拥有发表这种规模和分辨率结构的特权，因为这需要大量的数据、时间和努力。”Schröder微笑着说。

André T. Graça, Michael Hall, Karina Persson, Wolfgang P. Schröder. High-resolution model of Arabidopsis Photosystem II reveals the structural consequences of digitonin-extraction. Scientific Reports, 2021; 11 (1) DOI: 10.1038/s41598-021-94914-x