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嗜极光合菌如何在极端环境下进行光合作用？研究人员解析嗜盐嗜碱紫色硫细菌 Halorhodospira (Hlr.) halophila strain BN9622 的 LH1-LH2 共复合体冷冻电镜结构。发现其呈双环结构，能量传递效率近 100%，为理解光合作用机制提供新视角。
在神秘的微观世界里，紫色光合细菌宛如一群神奇的 “光能捕手”，它们利用独特的光合装置将光能转化为化学能。其中，光捕获（LH）复合体和反应中心（RC）起着关键作用。然而，LH 复合体在结构和光谱特性上展现出丰富的多样性，这让科学家们对其在不同环境下的功能充满好奇。特别是对于那些生活在极端环境中的紫色光合细菌，它们的 LH 复合体究竟有何独特之处？又是如何帮助细菌适应恶劣环境的呢？这些问题就像一团团迷雾，吸引着科研人员不断探索。
为了揭开这些谜团，来自多个研究机构的科研人员组成了一支强大的科研团队。他们将目光聚焦于从利比亚沙漠高盐湖分离出的极端嗜盐嗜碱光合紫色硫细菌 Halorhodospira (Hlr.) halophila strain BN9622，深入研究其 LH1-LH2 共复合体的结构与功能。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解光合作用机制打开了新的大门。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，通过冷冻电镜技术（cryo-EM），以 2.22 ? 的高分辨率解析了 LH1-LH2 共复合体的结构，如同给这个微观世界的 “小精灵” 拍了一张高清照片；其次，利用飞秒瞬态吸收光谱（TA）技术和荧光光谱技术，对复合体的激发能量转移（EET）过程进行了精准测量，捕捉到光能在复合体中传递的瞬间变化。
下面让我们详细了解一下研究结果：
- 结构概述：Hlr. halophila LH1-LH2 共复合体呈现出多层同心结构，较大的 LH1 环如同一个 “保护罩”，环绕着较小的 LH2 环。LH1 复合体由 18 个 αβ - 亚基组成，是紫色细菌 LH1 复合体中已知亚基数量最多的；LH2 复合体则由 9 个 αβ - 亚基构成。两者都含有两层细菌叶绿素 a（BChl a）分子和九种 spirilloxanthins 类胡萝卜素。通过冷冻电镜结构分析，研究人员清晰地看到了这些分子的排列方式，为后续研究奠定了基础。
- LH1 复合体：Hlr. halophila LH1 的 α 和 β 多肽存在两种形式，它们交替排列在 LH1 环上。36 个二聚体 BChl a（LH1-B883）在周质侧形成部分重叠的环，9 个单体 BChl a（LH1-B797）位于细胞质侧。这些色素分子之间的距离和相互作用，决定了光能在 LH1 复合体中的传递路径。例如，LH1-B797 与 LH1-B883 之间的距离和相对取向，使得激子耦合能够发生，促进了能量的转移。
- LH2 复合体：LH2 复合体由九个相同的 αβ 对多肽组成，每个亚基结合两个二聚体 BChl a、一个单体 BChl a 和一个 spirilloxanthin。通过对其结构的深入分析，研究人员发现，LH2 复合体中色素分子的排列和相互作用方式，与其他已知的 LH2 复合体既有相似之处，又有独特差异。这些差异影响了 LH2 复合体的吸收光谱，使其在 835nm 处有最大吸收峰。
- LH1-LH2 相互作用：在共复合体中，LH1 和 LH2 之间主要通过疏水作用以及 LH2 单体 BChl a 与 LH1 的相互作用来维持结构稳定。同时，BChl a 分子在 LH1 和 LH2 之间形成了广泛的相互作用网络，这对于高效的能量传递至关重要。研究人员通过分析复合体中多肽和色素分子的相互作用，揭示了这种独特结构在能量传递中的优势。
- 激发能量转移：利用飞秒瞬态吸收光谱技术，研究人员对 LH1-LH2 共复合体的激发能量转移过程进行了详细研究。结果表明，能量从 LH2-B797 到 LH2-B835，再到 LH1-B883 的传递在 10ps 内完成，且共复合体的能量传递效率接近 100%。这一高效的能量传递过程，为细菌在极端环境下生存提供了有力保障。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，Hlr. halophila 的 LH1-LH2 共复合体是一种全新的 LH 复合体类型，其独特的结构和高效的能量传递机制，为优化光捕获和激子能量转移提供了新的思路。在自然环境中，大多数紫色光合细菌的 LH2 复合体数量多于 LH1 复合体，但 Hlr. halophila 细胞中 LH2 的表达量远低于 LH1，且其 LH1 环绕 LH2 的结构，使得在光捕获和能量传递效率上具有独特优势，有助于细菌在高盐、温暖和碱性的极端环境中竞争生存。尽管目前还不清楚光能量如何从共复合体高效传递到反应中心，但这一发现为后续研究指明了方向。
这项研究不仅丰富了我们对光合作用机制的理解，还为开发新型光捕获材料和提高太阳能利用效率提供了潜在的理论基础。未来，随着研究的不断深入，或许我们能从这些微观世界的 “光能捕手” 身上获得更多灵感，为解决能源问题和探索生命奥秘带来新的突破。
