热泉蓝藻Phycocyanin 620的高效提取与能量转移机制解析及其应用潜力

研究人员针对热泉蓝藻（Thermosynechococcus vulcanus）中Phycocyanin 620（PC620）的纯化难题，开发了基于疏水层析的简约流程，最终回收率达81.5%，纯度达5.21（A620/A280）。通过超快光谱技术首次解析了PC620三聚体内α84→β84（0.25 ps）和β155→β84（5 ps）的两条能量迁移路径，证实其主导机制为F?rster共振能量转移（FRET）。该研究为高稳定性藻蓝蛋白的工业化制备及光合作用理论研究提供了新范式。

　　

在生命起源的奥秘中，蓝藻的光合作用机制始终是科学家探索的圣杯。来自热泉环境的Thermosynechococcus vulcanus（Tv）因其原始特性成为研究光合作用的"活化石"，其独特的藻胆体（PBSs）中，Phycocyanin 620（PC₆₂₀）作为能量传递的"第一棒"选手，却面临纯化工艺复杂、能量转移细节不清的双重困境。传统藻蓝蛋白对热和酸敏感，而源自高温环境的PC₆₂₀展现出卓越稳定性，在生物光伏器件和功能性食品领域潜力巨大，但现有纯化方法存在成本高、步骤繁琐的瓶颈。

山东省某研究团队在《Dyes and Pigments》发表的研究中，开创性地将液氮研磨、20%-50%硫酸铵分级与一步疏水层析相结合，实现了PC₆₂₀的高效制备。通过吸收光谱、荧光光谱和圆二色光谱（CD）联用验证了蛋白结构完整性，并运用超快时间分辨光谱捕捉到能量转移的飞秒级动态过程。

藻培养与PC₆₂₀粗分离
采用BG11培养基培养Tv藻株，液氮研磨法突破高温藻细胞壁障碍，磷酸缓冲液提取后通过硫酸铵分级沉淀实现初步纯化，为后续层析奠定基础。

PC₆₂₀提取工艺优化
比较不同硫酸铵饱和度（30%、40%、50%）的分级效果，确定20%-50%为最佳区间。丁基疏水层析柱的引入显著简化流程，较传统离子交换法节省60%操作时间。

结构表征与能量转移解析
纯化的PC₆₂₀呈现620 nm特征吸收峰、652 nm荧光发射峰及626 nm CD正峰，证实其天然构象保留。超快光谱首次直接观测到三聚体内两条能量传递路径：α84→β84的亚皮秒级超快转移（0.25 ps）和β155→β84的较慢过程（5 ps），计算证实FRET机制占主导地位。

该研究不仅建立了PC₆₂₀的标准化制备流程（纯度5.21，回收率81.5%），更通过分子层面能量转移机制的阐明，为人工模拟光合作用系统设计提供了理论蓝图。发现的FRET主导机制解释了PC₆₂₀在高温环境下仍保持95%能量传递效率的结构基础，其开发的简约纯化策略有望推动热稳定藻蓝蛋白在生物医药和新能源领域的产业化应用。研究团队特别指出，PC₆₂₀中β155位点的特殊空间取向可能是其区别于普通藻蓝蛋白的关键进化适应，这一发现为定向改造藻蓝蛋白提供了新靶点。