2016年5月23日——植物光合作用中光能吸收转化的初始过程由三个复合体完成,科学家称之为“超分子机器”。其中“光学系统ii”位于最上游,极其重要,其结构分析非常困难。

5月20日,中国科学院生物物理研究所在京召开新闻发布会,宣布刘振峰课题组、张新正课题组、常-李梅课题组首次合作分析菠菜光系统ⅱ-集光复合体ⅱ超膜蛋白复合体的高精度三维结构。这项研究工作于北京时间5月19日作为一篇长论文发表在《自然》杂志上。

刘振峰告诉科学网记者,在单粒子低温电子显微镜的帮助下,研究人员发现该复合物包含25个蛋白质亚基、105个叶绿素分子、28个类胡萝卜素分子和许多其他辅因子,由三个部分组成:捕光天线系统、反应中心系统和一个在常温常压下可以分解水并释放氧气的氧气释放中心。在此基础上,揭示了光学系统ⅱ中光能获取、传输和转换的机理。其中,复合材料外围的“光捕获天线”提高了光学系统ii捕获太阳能的能力。

{科研}中国科学家破解光合作用最重要“超分子机器”

在光合作用中,光系统ⅱ在光能转化为电能和分解水方面起着重要作用,被认为是人工模拟光合作用的理想模板。近年来,科学家们分析了蓝藻、藻类和高等植物的光系统ⅱ的结构。以前,植物光系统ⅱ的分析结果不够准确,结构也不完整,因此科学家无法准确理解植物光系统ⅱ的工作机制。“由于高等植物光系统ii的复杂性,很难获得稳定均匀的样品,三维结晶工作遇到了瓶颈。”刘振峰说道。

{科研}中国科学家破解光合作用最重要“超分子机器”

为了克服样品制备的难题,常文瑞-李梅课题组对十几种不同的植物进行了研究。李梅说:“我每次去市场买菜调研,都是十斤十斤的买。我不记得买了多少次了。”研究人员从不同来源和组成中筛选光系统ⅱ超大型复合物进行比较,优化高等植物光系统ⅱ超大型膜蛋白复合物样品的分离制备工艺,获得高质量样品用于后续实验。

{科研}中国科学家破解光合作用最重要“超分子机器”

从2015年开始,张新正的研究团队加入团队,试图用最先进的冷冻电镜技术分析超级复合材料的三维结构。张新正告诉科学网记者,经过初步的照片、冷冻样本和冷冻电镜数据,建立三维结构的初始模型,并将三维结构推向中分辨率,菠菜光系统ii的化合物终于清晰出现,精度为3.2埃。“每一步都遇到了很大的困难和挑战。”他说。

{科研}中国科学家破解光合作用最重要“超分子机器”

本工作得到了中国科学院“生物超分子复合物的结构、功能与调控”专项、“光合作用与人工叶”、科技部973重大科技攻关项目和自然科学基金的资助。该研究在中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室和中国科学院生物大分子卓越中心完成。

此前,常课题组于2004年利用x射线晶体衍射成功分析了菠菜光系统ⅱ“捕光天线”的晶体结构,这是世界上第一个起源于高等植物光系统ⅱ的高分辨率光合膜蛋白晶体结构,推动了我国光合作用捕光机制和膜蛋白结构生物学的研究进入世界先进行列。

标题:{科研}中国科学家破解光合作用最重要“超分子机器”

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