中国生物技术网|成果登《科学》！浙大学者解析古老绿硫细菌光合作用反应中心原子结构
光合作用是地球上最重要的化学反应 ， 是规模最大的太阳能转换过程 。 光合生物通过把太阳光能转变成化学能 ， 固定二氧化碳为有机物 ， 同时释放出氧 ， 为地球上绝大多数生命提供食物和氧气 。 光合生物是自然界最高效的太阳能固定“机器” ， 平均每年通过光合生物的光合作用所同化的太阳能约为人类所需能量的10倍 。 光合作用不仅驱动着我们地球的环境变化、推动着高级生命的起源和进化 ， 也使得人类文明的诞生和发展成为可能 。
光合作用反应中心如何工作？如何起源进化？我们人类能否利用自然界的光合作用机制来提高太阳能利用效率？科学家们一直在积极对光合作用机理开展广泛的研究 ， 寻找这些问题的答案可以帮助我们解决粮食、能源和环境问题 。
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近日 ， 浙江大学医学院、良渚实验室联合中国科学院植物研究所在全球率先解析了一种古老的光合细菌——绿硫细菌的光合反应中心空间结构 。 该研究刷新了人类对古老光合生物的光合作用机理的认知 ， 对于理解光合作用反应中心的“认祖归宗”(即进化生物学研究)具有重要的启示意义 。
这一研究于北京时间2020年11月20日 ， 刊登在国际顶级杂志《科学》 ， 论文第一作者为浙江大学医学院附属邵逸夫医院/浙江大学冷冻电镜中心博士后陈景华 ， 通讯作者为浙江大学医学院附属邵逸夫医院/浙江大学冷冻电镜中心、良渚实验室张兴教授和中国科学院植物研究所匡廷云院士、沈建仁研究员 。
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追本溯源刨根问底
反应中心是光合作用过程中实现光能-电能转化的核心结构 ， 主要由光合膜上的色素蛋白复合体构成 。 根据不同反应中心的结构特点 ， 一般将其分为以铁硫簇为末端电子受体的I型(type-I)反应中心和以醌为末端电子受体的II型(type-II)反应中心 。 在产氧光合生物例如蓝细菌和绿色植物中 ， 这两类反应中心分别进化为两个不同分工的光系统 ， 即光系统I和光系统II 。 其中 ， 光系统II负责将水裂解后制造氧气；光系统I吸收太阳能 ， 转变成化学能 ， 固定二氧化碳 ， 制造食物 。
早期地球不含氧气 ， 是产氧光合作用把早期地球大气改造成有氧环境 ， 对高等生物的出现和进化具有及其重要的作用 。 光反应过程复杂 ， 反应中心蛋白的空间结构也极其复杂 ， 因此在地球几十亿年的历史中只进化产生过一次 ， 现在地球上的所有光反应中心蛋白都是从同一个祖先蛋白进化而来 。 追本溯源 ， 科学家希望能够研究了解在早期地球环境下 ， 古老的光合反应中心是什么样的空间结构 ， 和现在高等植物的光合反应中心有何不同？早期的光合生物是怎么转化太阳能 ， 同时又是如何一步步进化、提高能量转化效率的 。 然而沧海桑田 ， 如今的地球与几十亿年前的环境已经有了天壤之别 。 如何找到合适的研究对象成为了首要问题 。
科学家们看中了光合细菌 。 这是一种35亿年前就在地球上出现的古老的原核生物体 ， 它们或许保留着原始的光合作用系统 。 在经历漫长的生物进化和多次对生物界具有毁灭性的气候大灾变后 ， 这些古老的生物依然顽强地活着 。
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绿硫细菌是光合细菌大家庭中的一员 ， 这类细菌能够从硫化氢、胶体状硫黄和硫代硫酸盐等物质获得电子而进行厌氧的光合作用 。 它们生活在例如印度尼西亚的Matano湖和黑海约110-120米的深水中 ， 在那里 ， 光照变得极其微弱 ， 每个细菌一天也就能够捕获少量的光子 。 更有甚者 ， 在墨西哥海岸附近发现有一种绿硫细菌 ， 生活在水深2500米太平洋中的海底黑烟囱周围 。 在这么深的海底 ， 阳光已无法企及 ， 它们只能依靠热洋流的微弱热辐射而生存 。 那么 ， 是什么让绿硫细菌在光照如此微弱的环境下仍能够进行光合作用呢？绿硫细菌的光合作用系统在结构上和其他细菌又有哪些差别呢？
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