《研究解析硅藻光合作用重要蛋白》

  • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
  • 编译者: 陈方
  • 发布时间:2020-04-08
  • 生物燃料被视为化石燃料的必然替代品,目前科学家正在努力完善藻类油脂类物质的生产并使其效率大大提高。2019年8月13日PNAS报道,美国罗格斯大学的研究小组发现了一种硅藻,它有望高效率地生产价格低廉的藻类生物燃料。
    硅藻利用太阳能进行光合作用,产生了地球上20%的氧气。硅藻生存环境要求不高,在从大气固碳方面发挥着至关重要的作用。研究其光合原理有望推动生物燃料生产过程的改进。
    利用3D生物成像工具,研究小组揭示了被称为光系统II的蛋白质,硅藻利用光系统II吸收光能并为光合作用提供动力。研究表明每个硅藻细胞包括两组蛋白质,但是只有一组具有活性。研究人员发现,这种活性物质与色素蛋白(例如吸收阳光的绿色叶绿素)有关,用来为光合作用收集光线。该研究小组正在试图弄清楚硅藻光合作用能力的极限,并利用这种能力生产生物燃料。研究者下一步将通过控制蛋白质之间动力学的机制,以期支持大规模的生物能源生产,为汽车、飞机和火车提供燃料。

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    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-04-02
    • 硅藻是海洋中最“成功”的浮游光合生物之一,它们通过光合作用贡献了地球上每年约20%的有机物生产力,相当于固定了近五分之一的二氧化碳,高于全球所有热带雨林的贡献,这与硅藻特有的捕光天线蛋白“岩藻黄素-叶绿素a/c蛋白复合体”(Fucoxanthin chlorophyll a/c protein,FCP)的功能密切相关。硅藻的FCP复合体属于捕光天线蛋白复合体(Light harvesting complex,LHC)超级家族,但其氨基酸序列与高等植物和绿藻的叶绿素a/b捕光天线蛋白的同源性很低,而且最为突出的是FCP结合大量岩藻黄素和叶绿素c,能够捕获蓝绿光以适应水下弱光环境。同时,由FCP结合的岩藻黄素和硅甲藻黄素参与建立的硅藻超级光保护机制,可以帮助硅藻适应海水表面的强光环境。然而,硅藻FCP复合体的结构长期没有得到解析,限制了硅藻光合作用机理的研究。   在国家重点研发计划 “蛋白质机器与生命过程调控”重点专项“光合作用重要蛋白质机器的结构、功能与调控”项目(2017YFA0503700)的资助下,中国科学院植物研究所沈建仁研究组首次解析了一种羽纹纲硅藻——三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)FCP的高分辩率(1.8 ?)晶体结构,描绘了叶绿素c、岩藻黄素及硅甲藻黄素在蛋白复合体中的结合细节及空间排布,揭示了该蛋白复合体高效捕获蓝绿光及其超强光保护功能的结构基础。该研究为实现光合作用光能宽幅、高效捕获和快速传递的理论计算提供了实验依据,为光合作用人工模拟及设计具有宽广的捕光截面和较强的抗光破坏能力的新型作物提供了新思路和新策略。该研究成果近期在Science杂志发表。
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    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-02-28
    • 硅藻是海洋中最“成功”的浮游光合生物之一,它们通过光合作用贡献了地球上每年约 20% 的原初生产力,且在地球的元素循环和气候变化中发挥重要作用,这与硅藻特有的捕光天线蛋白“岩藻黄素 - 叶绿素 a/c 蛋白复合体”( Fucoxanthin chlorophyll a/c protein , FCP )的功能密切相关。硅藻的 FCP 复合体具有出色的蓝绿光捕获能力和极强的光保护能力,这是硅藻能够在海洋中繁盛的重要原因之一。    硅藻的 FCP 复合体属于捕光天线蛋白复合体( Light harvesting complex , LHC )超级家族,但其氨基酸序列与高等植物和绿藻的叶绿素 a/b 捕光天线蛋白的同源性很低,而且最为突出的是 FCP 结合大量岩藻黄素和叶绿素 c ,能够捕获蓝绿光以适应水下弱光环境。同时, FCP 结合的岩藻黄素和硅甲藻黄素参与建立硅藻的超级光保护机制可以帮助这种浮游生物适应海水表面的强光环境。然而硅藻 FCP 复合体的结构长期没有得到解析,限制了硅藻光合作用机理的研究。    中国科学院科学家团队——植物研究所沈建仁和中国科学院院士匡廷云团队一直致力于高等植物和藻类捕光天线蛋白的研究工作,通过多种手段解析了一种羽纹纲硅藻 —— 三角褐指藻( Phaeodactylum tricornutum ) FCP 二聚体 1.8埃 的晶体结构。研究人员发现,每个 FCP 单体中结合 7 个叶绿素 a 、 7 个岩藻黄素、 2 个叶绿素 c 、 1 个硅甲藻黄素和一些脂类及去垢剂分子;每个叶绿素 c 分子分别与 2 个叶绿素 a 分子成簇,并与其中一个叶绿素 a 分子紧密耦合,叶绿素 c 的原卟啉环结合在叶绿素 a 和岩藻黄素之间;每个叶绿素簇内部的叶绿素距离都在 3.5埃 左右,可以使能量快速高效地传递; FCP 二聚体内部的叶绿素距离都在 10埃 以内,使激发能达到快速的平衡和传递。    研究人员还发现, FCP 单体中有 6 个岩藻黄素分子插入到光合膜内,另 1 个新型的岩藻黄素分子水平结合在膜表面,这拓展了类胡萝卜素在捕光天线蛋白中的结合方式,提高了其绿光捕获能力;所有岩藻黄素与叶绿素距离都在 4埃 之内,使其捕获的光能可以高效地向叶绿素传递,同时也可能使岩藻黄素成为光保护的有效成员;硅甲藻黄素分子与 FCP 蛋白结合较弱,以便于参加到硅藻的类胡萝卜素循环中,进而使得硅藻适应从水下到水面的快速剧烈的光环境变化。    该研究首次描绘了叶绿素 c 和岩藻黄素在硅藻光合膜蛋白中的结合细节,阐明了叶绿素和岩藻黄素在 FCP 复合体中的空间排布,揭示了叶绿素 c 和岩藻黄素捕获蓝绿光并高效传递能量的结构基础;首次揭示了 FCP 二聚体的结合方式, 对几十年来硅藻主要捕光天线蛋白聚合状态研究提供了第一个明确的实验证据。研究成果为揭示光合作用光反应拓展捕光截面和高效捕获传递光能机理,以及硅藻超强的光保护机制提供了坚实的结构基础;为实现光合作用宽幅捕获和快速传递光能的理论计算提供了可能,为人工模拟光合作用机理提供了新理论依据;为指导设计新型作物、拓展捕光截面、防止光破坏提供了新思路和新策略。    该研究成果于 2 月 8 日在国际学术期刊《科学》( Science ) 以长文( Online Research Article )形式发表,文章题为 Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms 。匡廷云与沈建仁为论文通讯作者,王文达和于龙江为论文共同第一作者。 该项目得到日本冈山大学的合作研究支持,并得到上海同步辐射光源、日本 SPring-8 和 KEK 同步辐射光源、瑞士 SLS 同步辐射光源的技术支持。中国科技部国家蛋白质重点研发计划、中组部人才项目以及中国科学院先导专项、前沿重点项目和院长基金提供了经费支持。 三角褐指藻类囊体膜上的 FCP 二聚体晶体结构。 a 和 b : FCP 蛋白晶体;蛋白中的叶绿素 a (绿色),叶绿素 c (洋红色)和岩藻黄素分子结构分别以棍状图显示,蓝色为硅甲藻黄素。