冷冻电镜与它的新搭档成功破解了光合作用之谜

　　美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（简称伯克利实验室）的研究人员利用世界上最先进的显微镜揭示了对光合作用影响巨大的大型蛋白质复合体结构。

　　这项发表在Nature杂志上的发现将使科学家首次探索植物复杂功能，并可能对各种生物制品的生产产生重大影响。

　　“这项工作使我们更好地了解了光合作用是如何发生的，未来可使我们提高植物和其他绿色植物的光合作用效率——增加食物产量，”伯克利实验室的生物物理学家Karen Davies说。“这尤其重要，如果你想生产可再生的生物制品的话，它们是当前石油产品经济有效的替代。”

　　几十年前，研究人员发现了一种名为NADH脱氢酶样复合物（NDH）的蛋白质复合体，它被认为有助于调节光合作用，在这一阶段，光能被捕获并储存在两种类型的细胞能量分子中，这些分子随后被用来推动二氧化碳转化为糖。

　　过去的研究表明，NDH可以确保产生每个能量分子的正确比率，重新改组了转移给叶绿体其他蛋白质复合体的带电电子。此外，蓝藻的NDH还发挥着一些额外的作用，包括将二氧化碳的吸收与电子转移联系起来，增加用于制糖的二氧化碳量。

　　为了真正理解NDH是如何执行这些功能的，科学家需要一个分子蓝图来提示复合体中所有原子的位置和连接性。然而，这是连非常强大的透射电子显微镜（TEM）技术也无法提供的东西。直到最近才出现转机……

　　“过去20年，我们对这种酶的理解相当困难，面对实验结果常常一筹莫展，因为我们缺乏理解这种酶结构的完整信息，”Davies说。“了解结构对生成和测试这种酶，从而验证我们的假说非常重要。自打伯克利实验室合力开发出了直接电子计数照相机的商业版本以后，我们认为时机可能已经成熟了，是时候捕获高分辨率NDH结构蓝图了。”

　　在此之前，cryo-TEM成像的问题在于依赖胶片，在分析单分子结构之前每一帧都需要扫描和曝光。费时费力不说，大多数图像因此非常模糊，当你将一束光线对准一个分子时，带电的高能粒子激发分子中的原子，这会使它们发生微位移，研究人员不得不对成百上千的胶片图像进行处理，以便相对准确地看到整个分子。

　　新电子计数相机通过拍摄具有极高帧速度的数字电影解决了这个问题。它可以对单帧进行对齐，以消除感应粒子束运动引起的模糊。

　　本文第一作者Thomas Laughlin是加州大学伯克利分校和伯克利实验室联合培养的研究生，他从光合蓝藻的细胞膜上分离出NDH复合物，并使用配备了新发明的直接电子探测器的先进cryo-TEM成像设备对其进行观察成像。

　　然后利用原子密度图建立了一个NDH模型，该模型显示了NDH中所有蛋白质亚单位的排列以及所有原子在复合体中最可能的位置。通过检查该模型，Davies团队制定并测试了有关NDH如何通过平衡两个细胞能量分子的比率促进糖生产的假设。

　　“其实只要拿出NDH的结构就可以解释很多问题，但是它实际上提出了比我想象得更多的问题，甚至是我们以前从没考虑过的，”Laughlin说。

　　伯克利实验室有许多专注于提高基础生物化学和生物物理学过程的科学家，Davies还与其他同事使用直接电子照相机cryo-EM来研究由生长和光条件变化引起的光合复合物组织变化，从而研究具体如何影响光和效率。