科學(xué)家發(fā)現(xiàn)光合作用的原子級秘密

光合作用的奧秘已在原子水平上被揭開，讓人們對這一十多億年前將地球變成綠色景觀的植物超級力量有了重要的新認識。約翰-英納斯中心的研究人員使用一種名為低溫電子顯微鏡的先進顯微鏡方法來探索光合作用蛋白質(zhì)是如何產(chǎn)生的。這項發(fā)表在《細胞 》雜志上的研究提供了一個模型和資源，以促進該領(lǐng)域的進一步基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)，并幫助實現(xiàn)開發(fā)抗逆性更強的作物的長期目標。

了解光合蛋白質(zhì)的生產(chǎn)

論文的共同作者、研究小組組長邁克爾-韋伯斯特（Michael Webster）博士說："葉綠體基因的轉(zhuǎn)錄是制造光合蛋白的基本步驟，光合蛋白為植物提供生長所需的能量。我們希望通過更好地了解這一過程--在詳細的分子水平上--能夠幫助研究人員開發(fā)出光合作用更強的植物。這項工作最重要的成果是創(chuàng)建了一個有用的資源。研究人員可以下載我們的葉綠體聚合酶原子模型，并利用它提出自己關(guān)于葉綠體聚合酶如何發(fā)揮作用的假設(shè)，以及檢驗這些假設(shè)的實驗策略。"

光合作用是在葉綠體內(nèi)進行的，葉綠體是植物細胞內(nèi)的一個小區(qū)塊，它含有自己的基因組，反映了葉綠體在被植物吞噬和合并之前曾是自由生活的光合細菌。

看到植物葉綠體中轉(zhuǎn)錄光合基因的聚合酶分子。用電子顯微鏡收集到的單個分子圖像經(jīng)過分類和排列，揭示了蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)架構(gòu)的細節(jié)。資料來源：邁克爾-韋伯斯特和伊斯卡-普拉馬尼克

約翰-英納斯中心的韋伯斯特小組研究植物如何制造光合蛋白，光合蛋白是實現(xiàn)這一優(yōu)雅化學(xué)反應(yīng)的分子機器，它將大氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為單糖，并產(chǎn)生氧氣作為副產(chǎn)品。

蛋白質(zhì)生產(chǎn)的第一階段是轉(zhuǎn)錄，通過讀取基因產(chǎn)生"信使RNA"。轉(zhuǎn)錄過程由一種名為 RNA 聚合酶的酶完成。

葉綠體 RNA 聚合酶的復(fù)雜性

50 年前，人們發(fā)現(xiàn)葉綠體中含有自己獨特的 RNA 聚合酶。從那時起，科學(xué)家們就對這種酶的復(fù)雜程度感到驚訝。它比它的祖先細菌 RNA 聚合酶有更多的亞基，甚至比人類的 RNA 聚合酶還要大。

韋伯斯特小組希望了解為什么葉綠體具有如此復(fù)雜的 RNA 聚合酶。為此，他們需要對葉綠體 RNA 聚合酶的結(jié)構(gòu)構(gòu)造進行可視化。研究小組使用一種稱為低溫電子顯微鏡（cryo-EM）的方法，對從白芥子植物中純化的葉綠體RNA聚合酶樣本進行成像。

原子級分析的啟示

通過處理這些圖像，他們建立了一個包含分子復(fù)合體中 5 萬多個原子位置的模型。

RNA 聚合酶復(fù)合體由 21 個亞基組成，分別在核基因組和葉綠體基因組中編碼。研究人員對這一結(jié)構(gòu)進行了仔細分析，從而開始解釋這些元件的功能。

這個模型讓他們確定了一種蛋白質(zhì)，它能在DNA轉(zhuǎn)錄過程中與DNA相互作用，并引導(dǎo)DNA進入酶的活性位點。

另一種成分可以與正在產(chǎn)生的 mRNA 相互作用，從而在 mRNA 轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)之前保護它不被蛋白質(zhì)降解。

韋伯斯特博士說："我們知道葉綠體 RNA 聚合酶的每一個組成部分都起著至關(guān)重要的作用，因為缺少其中任何一個組成部分的植物都不能制造光合蛋白質(zhì)，因此也就不能變綠。我們正在仔細研究原子模型，以確定裝配的 21 個組件中每個組件的作用。"

第一作者ángel Vergara-Cruces博士說："現(xiàn)在我們有了一個結(jié)構(gòu)模型，下一步就是確認葉綠體轉(zhuǎn)錄蛋白的作用。通過揭示葉綠體轉(zhuǎn)錄的機制，我們的研究有助于深入了解葉綠體在植物生長、適應(yīng)和應(yīng)對環(huán)境條件中的作用。"

共同第一作者伊斯卡-普拉馬尼克（Ishika Pramanick）博士說："從極具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)純化開始，到為這一巨大復(fù)雜的蛋白質(zhì)拍攝令人驚嘆的低溫電子顯微鏡圖像，再到最終看到我們的工作成果的印刷版本，在這一非凡的工作歷程中有許多令人驚喜的時刻。"

韋伯斯特博士總結(jié)道："高溫、干旱和鹽度限制了植物進行光合作用的能力。面對環(huán)境壓力仍能可靠地生產(chǎn)光合蛋白的植物可能會以不同的方式控制葉綠體轉(zhuǎn)錄。我們期待看到我們的研究成果被用于開發(fā)更強健作物的重要工作中。"