《Nature》：科学家捕获了蓝藻光合作用的“触角”

　　研究人员帮助揭示了迄今为止最详细的重要生物“触角”的图像。

　　大自然已经进化出通过光合作用来利用太阳的能量的结构，但这些阳光接收器不属于植物。它们存在于被称为蓝藻的微生物中，蓝藻是地球上第一个能够吸收阳光、水和二氧化碳并将其转化为糖和氧气的生物的进化后代。

　　8月31日发表在《自然》(Nature)杂志上的这一发现立即为微生物的光合作用提供了新的线索——特别是光能是如何被捕获并发送到需要它的地方，以推动二氧化碳转化为糖。展望未来，这些见解还可以帮助研究人员修复环境中的有害细菌，开发用于可再生能源的人工光合系统，并在以二氧化碳和阳光为原材料的可持续制造中招募微生物。

　　自然科学学院Hannah结构生物工程特聘教授Cheryl Kerfeld说:“利用蓝藻细菌作为太阳能工厂，捕获阳光并将其转化为一种可以用于制造重要产品的能量，这方面有很多兴趣。有了我们在这项研究中提供的蓝图，你可以开始考虑调整和优化光合作用的光收集组件。”

　　“一旦你了解了某些东西是如何工作的，你就能更好地了解如何修改和操纵它。这是一个很大的优势，”Kerfeld Lab实验室的高级研究员Markus Sutter说。该实验室在密歇根州立大学(MSU)和加州伯克利实验室(Berkeley Lab)运作。

　　蓝藻的触角结构被称为藻胆体，是色素和蛋白质的复杂集合，它们组装成相对巨大的复合体。

　　几十年来，研究人员一直致力于将藻胆体的不同组成部分可视化，试图了解它们是如何组合在一起的。藻胆体是脆弱的，需要这种零碎的方法。过去，研究人员一直无法获得完整天线的高分辨率图像，以了解它们如何捕获和传导光能。

　　现在，由于一个国际专家团队和冷冻电子显微镜技术的进步，蓝藻光收集天线的结构几乎是原子分辨率。该团队包括来自密歇根州立大学、伯克利实验室、加州大学伯克利分校和捷克共和国南波西米亚大学的研究人员。

　　Kerfeld说:“我们很幸运成为一个由专业知识互补的人组成的团队，他们一起工作得很好。”

　　“充满惊喜的长途旅行”

　　“这项工作是光合作用领域的一个突破，”Paul Sauer说，他是Eva Nogales教授在伯克利实验室和加州大学伯克利分校低温电子显微镜实验室的博士后研究员。

　　Sauer说:“到目前为止，蓝藻细菌的天线的完整的光收集结构一直缺失。我们的发现帮助我们理解进化是如何在细菌中把二氧化碳和光转化为氧气和糖的，这比地球上任何植物都要早得多。”

　　和Kerfeld一样，绍尔也是这篇新文章的通讯作者。该团队记录了几个显著的结果，包括发现了一种新的藻胆体蛋白质，并观察到藻胆体定向光棒的两种新方式，这是以前没有解决的。

　　一个令人惊讶的发现是，一个相对较小的蛋白质可以充当巨大天线的电涌保护器。在这项工作之前，研究人员知道，当藻胆体吸收了过多的阳光时，它可以把一种叫做橙色类胡萝卜素蛋白(OCPs)的分子圈起来。OCPs以热量的形式释放多余的能量，保护蓝藻的光合系统不被烧毁。

　　到目前为止，关于藻胆体可以结合多少个OCPs以及这些结合位点在哪里一直存在争议。这项新研究回答了这些基本问题，并提供了潜在的实用见解。

　　这种浪涌保护系统——被称为光保护，在植物世界中也有类似的系统——自然倾向于浪费。蓝藻在完成光保护功能后，关闭它们的速度很慢。克尔菲尔德说，现在，有了浪涌保护器工作原理的完整图景，研究人员可以设计出“智能”的方法，减少浪费的光保护。

　　而且，尽管蓝藻有助于使地球适合人类和无数其他需要氧气生存的生物生存，但蓝藻也有黑暗的一面。蓝藻在湖泊、池塘和水库中大量繁殖，产生的毒素对当地生态系统以及人类和他们的宠物都是致命的。有了一份蓝图，让细菌不仅能收集太阳能，还能保护自己不受太多太阳能的伤害，这可能会激发新的想法来攻击有害的花朵。

　　除了这项工作提供的新答案和潜在应用之外，研究人员还对它提出的新问题和它可能激发的研究感到兴奋。

　　“如果你把它想象成乐高积木，你就可以不断增加，对吧?”这些蛋白质和色素就像制造藻胆体的块状物，但藻胆体是光系统的一部分，在细胞膜上，是整个细胞的一部分。”Sutter说。“从某种程度上说，我们正在攀登事业的阶梯。我们发现了一些新的东西，但我们不能说我们已经解决了整个系统。”

　　Domínguez-Martín表示:“我们已经回答了一些问题，但我们也为其他问题打开了大门，对我来说，这就是突破。我很期待看到这个领域今后的发展。”