“合体”科学家解析光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体结构，助推原核生物光合作用元件研究

今天，很高兴为大家分享来自DeepTech深科技的科学家解析光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体结构，助推原核生物光合作用元件研究，如果您对科学家解析光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体结构，助推原核生物光合作用元件研究感兴趣，请往下看。

来源：DeepTech深科技

“这些高分辨率的结构，清晰地揭示了光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体（Reaction center-Light harvesting，RC-LH）中所有蛋白质亚基和色素分子的组成和空间排布。

而对其理化性质的研究，则进一步扩展了人们对不放氧光合系统的多样性，以及分子进化的认识，有助于通过合成生物学方法，将这一简单独特的光合系统应用于光生物电化学器件的研发等领域。”杭州师范大学徐晓玲教授表示。

杭州师范大学基础医学院讲师辛吉瑀、浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心研究员师扬和杭州师范大学博士研究生张鑫为该论文的共同第一作者，徐晓玲教授担任论文的通讯作者。

据了解，在该论文的评审过程中，审稿人认为该研究综合运用了多种生物化学、生物物理方法，充分论证了类胡萝卜素组装调控反应中心-捕光复合体结构和醌交换的分子机制，支持这一观点的论据确凿，对研究原核生物光合作用元件的起源、进化和多样性都具有重要的价值。

起源于细菌的光合作用

如今，全球经济和社会发展正面临着日益严重的能源危机和环境污染。如何推动能源体系从日益枯竭的化石能源向绿色、循环、低碳的新能源转型，是可持续发展的关键。在改变能源格局方面，一片可以进行光合作用的人工树叶，也能发挥至关重要的作用。

光合作用是地球上最重要的化学反应，能把太阳能高效地转换为化学能，并将二氧化碳和水（或硫化氢）转化为有机物，从而释放出氧气（或氢气），为地球上几乎所有的生命提供能量。相关数据显示，每年通过光合作用储存在植物中的太阳能，相当于全世界每年耗能的 10 倍。

据介绍，光合作用起源于细菌，后逐渐进化到藻类和高等植物中。作为地球上出现最早、具有原始光能转化系统的原核生物，光合细菌主要分布在水生环境中光线能透射到的缺氧区，其以硫化氢、有机物、氨等物质作为供氢体和碳源，来进行不放氧的光合作用。

由于光合细菌能在自身同化代谢的过程中，完成自然界物质循环里一些重要的化学过程，比如产氢、固氮、分解有机物等，因此在环境治理、水产养殖以及新能源开发等领域拥有良好的应用前景。

不同于植物、藻类和蓝细菌等放氧光合生物，光合细菌没有叶绿体或类囊体，其通过捕光复合体和光反应中心这些在质膜上分布的蛋白色素复合物，来完成光能的吸收和转化。

捕光复合体中结合的细菌叶绿素和类胡萝卜素在捕获光能后，将其传递到光反应中心进行原初光电反应，释放的电子通过醌分子的氧化还原向下游传递，进而驱动腺苷三磷酸的合成。

自 1985 年紫细菌光反应中心的晶体结构被首次解析以来，国际上围绕紫细菌反应中心-捕光复合体 1（Reaction center-light harvesting 1，RC-LH1）的结构生物学研究陆续取得了一系列进展，揭示了多种多样的复合物结构、色素组成和组装特征。

但是，关于辅助捕光色素类胡萝卜素在光能传递和光化学反应中作用机理的研究，还相对滞后。

对于类胡萝卜素来说，其结构大多是含有九个及以上共轭双键的多烯链，形成的共轭电子系统使其具有不同寻常的光化学性质。与细菌叶绿素吸收蓝紫光和红光（390-700nm）不同，类胡萝卜素主要捕获蓝绿光（450-550nm），并将能量转移到细菌叶绿素，从而扩大捕光复合体吸收光谱的范围，并提高光合反应的效率。

除了辅助光能捕获，类胡萝卜素还能在强光条件下起到光保护的作用，有利于维持反应中心-捕光复合体的结构稳定和细菌的光合生长。

不过，他们始终不清楚类胡萝卜素与反应中心-捕光复合体的结构和光化学功能之间存在什么关联。

成功解析光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体高分辨率结构

为了探明上述问题，该课题组围绕光合玫瑰菌开展了系统性的研究。

光合玫瑰菌是进化起源上最早的一种丝状不产氧光合细菌，这种光合细菌与紫细菌不同，没有外周天线，唯一的捕光复合体融合了紫细菌捕光天线 1（light harvesting 1，LH1）和捕光天线 2（Light harvesting 2，LH2）的优势。

2018 年，该团队与中国科学院生物物理研究所孙飞研究员合作，解析了光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体 4.1 埃分辨率的冷冻电镜结构[2]。

他们发现，其捕光复合体由 15 个 LHαβ 形成一个开放的椭圆环，紧密地围绕着由 L、M 和细胞色素 c 亚基组成的反应中心，每个 LHαβ 结合着 1 个类胡萝卜素和 3 个细菌叶绿素 a（2 个 B880 和 1 个 B800）用于捕获光能，这与此前已报道的反应中心-捕光复合体中类胡萝卜素：细菌叶绿素摩尔比为 2:3 的色素含量显著不同。

尤其是，光合玫瑰菌的反应中心缺少 H 亚基，使其成为尺寸最小的细菌光合反应中心。另外，细胞色素 c 亚基通过一条跨膜螺旋 c-TM 插入捕光复合体环的开口处，与新发现的 X 亚基共同形成一个独特的醌穿梭通道。

在研究的过程中，课题组对光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体的特殊结构、色素组成、以及这些特征与光化学功能之间的联系，产生了浓厚的兴趣。

为了获得光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体更高分辨率的结构，以便于鉴定出结构中新发现的 X 亚基的氨基酸序列，该团队开启了新一阶段的研究。

他们首先在中等光照强度（32μmolm-2s-1）下培养光合玫瑰菌，并通过优化样品分离纯化的条件，获得了内源提取的反应中心-捕光复合体（nRC-LH）在 3.1 埃分辨率的电镜结构。

他们发现，每个 LHαβ 在捕光复合体环的外侧和异二聚体之间各结合着 1 个酮基 γ 胡萝卜素分子，并在捕光复合体环开口处结合着 1 个额外的类胡萝卜素，使得捕光复合体环上形成内、外两圈类胡萝卜素分子，这与类胡萝卜素:细菌叶绿素摩尔比为 2:3 的色素分析结果相吻合。

为了验证新发现的外圈类胡萝卜素分子是否与光照强度有关，他们还分别在更高和更低（180 和 2μmolm-2s-1）的光照强度下培养光合玫瑰菌，内源提取并解析了这两种光强下反应中心-捕光复合体（nRC-LH），在 2.8 和 2.9 埃分辨率的电镜结构。

有趣的是，光照强度并不影响 nRC-LH 的结构和结合的类胡萝卜素数目。更重要的是，新发现的类胡萝卜素和位于细胞质一侧的 B800 共同占据了 LHαβ 亚基之间的醌穿梭通道，形成一种密闭的捕光复合体环构象。

基于这些高分辨率结构，该团队首次确定了捕光复合体环开口处 X 亚基、反应中心内两个新的跨膜螺旋——蛋白 Y 和 Z 的氨基酸序列。而蛋白 X 和 Y 的氨基酸序列，在光合玫瑰菌的蛋白质数据库中都未被定义，却在维持反应中心-捕光复合体结构的稳定，以及形成醌的穿梭通道中发挥着重要作用。

并且，为了探究类胡萝卜素的组装对反应中心-捕光复合体结构和光化学功能的影响，他们还用类胡萝卜素的生物合成抑制剂二苯胺，对光合玫瑰菌进行了处理。

其中，二苯胺不仅显著抑制了高光强下细菌的生长，还降低了连续传代培养的细菌中反应中心-捕光复合体结合的类胡萝卜素含量。

因此，他们选取类胡萝卜素含量明显降低的第 5 代类胡萝卜素缺陷型复合体（dRC-LH）作为研究对象，解析了 dRC-LH 在 3.1 埃分辨率的冷冻电镜结构。

结果显示，dRC-LH 中只结合着内圈的 5 个类胡萝卜素分子，捕光复合体环开口处的 X 亚基也随之消失，使得 LHαβ 之间的空隙变大，捕光复合体环开口的尺寸也明显增加。

为了验证这种构象改变引起的功能差异，他们还分别检测了上游电子受体蓝铜蛋白金色蓝素被 nRC-LH 和 dRC-LH 氧化的活性，发现 dRC-LH 中开放的醌通道，加快了甲基萘醌-4（MK-4）的交换速率，却并未影响类胡萝卜素-细菌叶绿素之间的能量传递效率。

鉴定出 X、Y 和 Z 蛋白的氨基酸序列

据了解，2022 年 12 月，该团队将论文投稿至 Science Advances。在这一版本的论文中，他们只对高光强下天然和类胡萝卜素缺陷型反应中心-捕光复合体的结构和功能进行了研究。

徐晓玲说：“论文的三位审稿人对我们的工作给予了肯定，并对光照强度与反应中心-捕光复合体中类胡萝卜素含量的关系，以及 X、Y、Z 三个亚基的鉴定等提出了非常细致的修改意见。”

根据审稿专家的建议，该团队成员集体攻关，在两个月的时间内完成了中、低两个光照强度下，4 个反应中心-捕光复合体样品的电镜结构解析、搭建和相关生化功能研究。

另外，她表示：“反应中心-捕光复合体结构中 X、Y、Z 三个亚基氨基酸序列的鉴定，是 5 年来困扰团队成员的一个关键问题。由于这三个亚基的序列在蛋白质数据库中并未被定义，因此质谱分析无法鉴定出准确的氨基酸序列。”

不过，巧合的是，日本科学家于 2022 年 11 月发表了关于片濑（Katase）温泉沉淀物中微生物的宏基因组分析，其中一个物种的基因序列，竟与光合玫瑰菌拥有 90% 以上的相似性[3]。

这给了该团队很大的启发。在浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心师扬研究员的帮助下，他们基于剑桥大学舍尔斯·谢雷斯（Sjors Scheres）教授开发的自动建模软件和序列检索与比对，共同鉴定出了 X、Y 和 Z 蛋白的氨基酸序列。

“师扬也是我们 2018 年发表的光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体 4.1 埃分辨率结构文章的共同第一作者，当时他还是中国科学院生物物理研究所的一名博士生。”徐晓玲说。

在此基础上，该团队正在尝试构建光合玫瑰菌的遗传操作体系，希望通过基因操作突变反应中心-捕光复合体中结合类胡萝卜素的氨基酸残基，来获得完全缺失类胡萝卜素的 dRC-LH 复合体。

随后，有望通过多种生物物理和生物化学方法，深入地研究类胡萝卜素的合成、在反应中心-捕光复合体中的组装和光化学反应里面发挥的作用及其分子机制。

基于复合体光化学特性开发光生物电化学器件

植物和细菌的光合复合物，能够以近 100% 的光捕获效率，进行光化学电荷分离。其高效的光电转换能力，使得基于此类复合物制备的光生物电化学电池备受关注。

与紫细菌相比，光合玫瑰菌的反应中心没有H亚基，紧密结合的细胞色素 c 亚基使得光反应中心更高效地接受来自膜周质侧的电子，从而具有更高的电子传递效率。反应中心-捕光复合体的这些特殊结构特征，吸引该课题组在体外检测其光电转化能力。

2022 年，他们用最简单的材料化学方法，初步制备了一种简易的、具有特殊电子传递路径的 FTO-铂光生物电化学电池[4]。

他们用 FTO 玻璃（指掺杂氟的氧化锡导电玻璃）和镀有铂层的 FTO 玻璃，分别作为亲水的前电极和疏水的对电极，两电极由 300 微米厚的“凹”形热熔膜连接，向空腔中注入反应中心-捕光复合体和介质吩嗪硫酸甲酯时，检测到约为 320nA/cm2的稳态电流。

与基于紫细菌 RC-LH1 制备的光生物电化学电池相比，这种光生物电化学电池的优势是克服了 H 亚基对光电转换效率的限制，激发态特殊细菌叶绿素对分离的电子，在经细菌叶绿素和脱镁叶绿素传递到醌分子后，可直接进入前电极；并通过外电路转移至对电极，介质在对电极处接受电子后传递至细胞色素 c 中的血红素，还原激发态的特殊细菌叶绿素对，以形成稳态电流。

“基于本研究中发现的类胡萝卜素组装调节反应中心-捕光复合体结构和醌交换的分子机制，未来我们计划采用合成生物学方法，优化反应中心-捕光复合体的结构和光化学效率，希望能将这个‘极简’且热稳定的光反应中心，用于制备新型的光生物电化学传感器。”徐晓玲表示。

此外，接下来她还打算带领团队对光合玫瑰菌的电子传递和能量代谢途径进行调控，以获得能够高效绿色固碳、产氢、生产 3-羟基丙酸等重要化工产品的工程菌株，从而为能源绿色转型做出努力。

参考资料：

1.J. Xin et al. Carotenoid assembly regulates quinone diffusion and the Roseiflexus castenholzii reaction center-light harvesting complex architecture. Elife 12,  (2023). https://doi.org/10.1101/2023.05.14.540707

2.Y. Xin et al. Cryo-EM structure of the RC-LH core complex from an early branching photosynthetic prokaryote. Nature communications 9, 1568 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-03881-x

3.S. Kato, S. Masuda, A. Shibata, K. Shirasu, M. Ohkuma, Insights into ecological roles of uncultivated bacteria in Katase hot spring sediment from long-read metagenomics. Front Microbiol 13, 1045931 (2022). https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.1045931

4. J. Du et al. Preparation of Photo-Bioelectrochemical Cells With the RC-LH Complex From Roseiflexus castenholzii. Front Microbiol 13, 928046 (2022). https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.928046

运营/排版：何晨龙

好了，关于科学家解析光合玫瑰菌反应中心-捕光复合体结构，助推原核生物光合作用元件研究就讲到这。