來源：DeepTech深科技

“這些高分辨率的科學結構，清晰地揭示了光合玫瑰菌反應中心-捕光復合體（Reaction center-Light harvesting，家解RC-LH）中所有蛋白質亞基和色素分子的析光組成和空間排布。

而對其理化性質的合玫研究，則進一步擴展了人們對不放氧光合系統的瑰菌多樣性，以及分子進化的中心認識，有助于通過合成生物學方法，科學將這一簡單獨特的家解光合系統應用于光生物電化學器件的研發等領域?！焙贾輲煼洞髮W徐曉玲教授表示。析光

近期，合玫來自杭州師范大學和浙江大學的瑰菌研究團隊，成功地解析了光合玫瑰菌在三種不同光照強度下內源提取的中心反應中心-捕光復合體（nRC-LH），在 2.8 至 3.1 埃分辨率的科學冷凍電鏡結構，以及類胡蘿卜素缺陷型反應中心-捕光復合體（dRC-LH），家解在 3.1 埃分辨率的析光結構。

杭州師范大學基礎醫學院講師辛吉瑀、浙江大學腦與腦機融合前沿科學中心研究員師揚和杭州師范大學博士研究生張鑫為該論文的共同第一作者，徐曉玲教授擔任論文的通訊作者。

據了解，在該論文的評審過程中，審稿人認為該研究綜合運用了多種生物化學、生物物理方法，充分論證了類胡蘿卜素組裝調控反應中心-捕光復合體結構和醌交換的分子機制，支持這一觀點的論據確鑿，對研究原核生物光合作用元件的起源、進化和多樣性都具有重要的價值。

起源于細菌的光合作用

如今，全球經濟和社會發展正面臨著日益嚴重的能源危機和環境污染。如何推動能源體系從日益枯竭的化石能源向綠色、循環、低碳的新能源轉型，是可持續發展的關鍵。在改變能源格局方面，一片可以進行光合作用的人工樹葉，也能發揮至關重要的作用。

光合作用是地球上最重要的化學反應，能把太陽能高效地轉換為化學能，并將二氧化碳和水（或硫化氫）轉化為有機物，從而釋放出氧氣（或氫氣），為地球上幾乎所有的生命提供能量。相關數據顯示，每年通過光合作用儲存在植物中的太陽能，相當于全世界每年耗能的 10 倍。

據介紹，光合作用起源于細菌，后逐漸進化到藻類和高等植物中。作為地球上出現最早、具有原始光能轉化系統的原核生物，光合細菌主要分布在水生環境中光線能透射到的缺氧區，其以硫化氫、有機物、氨等物質作為供氫體和碳源，來進行不放氧的光合作用。

由于光合細菌能在自身同化代謝的過程中，完成自然界物質循環里一些重要的化學過程，比如產氫、固氮、分解有機物等，因此在環境治理、水產養殖以及新能源開發等領域擁有良好的應用前景。

不同于植物、藻類和藍細菌等放氧光合生物，光合細菌沒有葉綠體或類囊體，其通過捕光復合體和光反應中心這些在質膜上分布的蛋白色素復合物，來完成光能的吸收和轉化。

捕光復合體中結合的細菌葉綠素和類胡蘿卜素在捕獲光能后，將其傳遞到光反應中心進行原初光電反應，釋放的電子通過醌分子的氧化還原向下游傳遞，進而驅動腺苷三磷酸的合成。

自 1985 年紫細菌光反應中心的晶體結構被首次解析以來，國際上圍繞紫細菌反應中心-捕光復合體 1（Reaction center-light harvesting 1，RC-LH1）的結構生物學研究陸續取得了一系列進展，揭示了多種多樣的復合物結構、色素組成和組裝特征。

但是，關于輔助捕光色素類胡蘿卜素在光能傳遞和光化學反應中作用機理的研究，還相對滯后。

對于類胡蘿卜素來說，其結構大多是含有九個及以上共軛雙鍵的多烯鏈，形成的共軛電子系統使其具有不同尋常的光化學性質。與細菌葉綠素吸收藍紫光和紅光（390-700nm）不同，類胡蘿卜素主要捕獲藍綠光（450-550nm），并將能量轉移到細菌葉綠素，從而擴大捕光復合體吸收光譜的范圍，并提高光合反應的效率。

除了輔助光能捕獲，類胡蘿卜素還能在強光條件下起到光保護的作用，有利于維持反應中心-捕光復合體的結構穩定和細菌的光合生長。

不過，他們始終不清楚類胡蘿卜素與反應中心-捕光復合體的結構和光化學功能之間存在什么關聯。

成功解析光合玫瑰菌反應中心-捕光復合體高分辨率結構

為了探明上述問題，該課題組圍繞光合玫瑰菌開展了系統性的研究。

光合玫瑰菌是進化起源上最早的一種絲狀不產氧光合細菌，這種光合細菌與紫細菌不同，沒有外周天線，唯一的捕光復合體融合了紫細菌捕光天線 1（light harvesting 1，LH1）和捕光天線 2（Light harvesting 2，LH2）的優勢。

2018 年，該團隊與中國科學院生物物理研究所孫飛研究員合作，解析了光合玫瑰菌反應中心-捕光復合體 4.1 埃分辨率的冷凍電鏡結構[2]。

他們發現，其捕光復合體由 15 個 LHαβ 形成一個開放的橢圓環，緊密地圍繞著由 L、M 和細胞色素 c 亞基組成的反應中心，每個 LHαβ 結合著 1 個類胡蘿卜素和 3 個細菌葉綠素 a（2 個 B880 和 1 個 B800）用于捕獲光能，這與此前已報道的反應中心-捕光復合體中類胡蘿卜素：細菌葉綠素摩爾比為 2:3 的色素含量顯著不同。

尤其是，光合玫瑰菌的反應中心缺少 H 亞基，使其成為尺寸最小的細菌光合反應中心。另外，細胞色素 c 亞基通過一條跨膜螺旋 c-TM 插入捕光復合體環的開口處，與新發現的 X 亞基共同形成一個獨特的醌穿梭通道。

在研究的過程中，課題組對光合玫瑰菌反應中心-捕光復合體的特殊結構、色素組成、以及這些特征與光化學功能之間的聯系，產生了濃厚的興趣。

為了獲得光合玫瑰菌反應中心-捕光復合體更高分辨率的結構，以便于鑒定出結構中新發現的 X 亞基的氨基酸序列，該團隊開啟了新一階段的研究。

他們首先在中等光照強度（32μmolm-2s-1）下培養光合玫瑰菌，并通過優化樣品分離純化的條件，獲得了內源提取的反應中心-捕光復合體（nRC-LH）在 3.1 埃分辨率的電鏡結構。

他們發現，每個 LHαβ 在捕光復合體環的外側和異二聚體之間各結合著 1 個酮基 γ 胡蘿卜素分子，并在捕光復合體環開口處結合著 1 個額外的類胡蘿卜素，使得捕光復合體環上形成內、外兩圈類胡蘿卜素分子，這與類胡蘿卜素:細菌葉綠素摩爾比為 2:3 的色素分析結果相吻合。

為了驗證新發現的外圈類胡蘿卜素分子是否與光照強度有關，他們還分別在更高和更低（180 和 2μmolm-2s-1）的光照強度下培養光合玫瑰菌，內源提取并解析了這兩種光強下反應中心-捕光復合體（nRC-LH），在 2.8 和 2.9 埃分辨率的電鏡結構。

有趣的是，光照強度并不影響 nRC-LH 的結構和結合的類胡蘿卜素數目。更重要的是，新發現的類胡蘿卜素和位于細胞質一側的 B800 共同占據了 LHαβ 亞基之間的醌穿梭通道，形成一種密閉的捕光復合體環構象。

基于這些高分辨率結構，該團隊首次確定了捕光復合體環開口處 X 亞基、反應中心內兩個新的跨膜螺旋——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質數據庫中都未被定義，卻在維持反應中心-捕光復合體結構的穩定，以及形成醌的穿梭通道中發揮著重要作用。

并且，為了探究類胡蘿卜素的組裝對反應中心-捕光復合體結構和光化學功能的影響，他們還用類胡蘿卜素的生物合成抑制劑二苯胺，對光合玫瑰菌進行了處理。

其中，二苯胺不僅顯著抑制了高光強下細菌的生長，還降低了連續傳代培養的細菌中反應中心-捕光復合體結合的類胡蘿卜素含量。

因此，他們選取類胡蘿卜素含量明顯降低的第 5 代類胡蘿卜素缺陷型復合體（dRC-LH）作為研究對象，解析了 dRC-LH 在 3.1 埃分辨率的冷凍電鏡結構。

結果顯示，dRC-LH 中只結合著內圈的 5 個類胡蘿卜素分子，捕光復合體環開口處的 X 亞基也隨之消失，使得 LHαβ 之間的空隙變大，捕光復合體環開口的尺寸也明顯增加。

為了驗證這種構象改變引起的功能差異，他們還分別檢測了上游電子受體藍銅蛋白金色藍素被 nRC-LH 和 dRC-LH 氧化的活性，發現 dRC-LH 中開放的醌通道，加快了甲基萘醌-4（MK-4）的交換速率，卻并未影響類胡蘿卜素-細菌葉綠素之間的能量傳遞效率。

鑒定出 X、Y 和 Z 蛋白的氨基酸序列

據了解，2022 年 12 月，該團隊將論文投稿至 Science Advances。在這一版本的論文中，他們只對高光強下天然和類胡蘿卜素缺陷型反應中心-捕光復合體的結構和功能進行了研究。

徐曉玲說：“論文的三位審稿人對我們的工作給予了肯定，并對光照強度與反應中心-捕光復合體中類胡蘿卜素含量的關系，以及 X、Y、Z 三個亞基的鑒定等提出了非常細致的修改意見?！?/p>

根據審稿專家的建議，該團隊成員集體攻關，在兩個月的時間內完成了中、低兩個光照強度下，4 個反應中心-捕光復合體樣品的電鏡結構解析、搭建和相關生化功能研究。

另外，她表示：“反應中心-捕光復合體結構中 X、Y、Z 三個亞基氨基酸序列的鑒定，是 5 年來困擾團隊成員的一個關鍵問題。由于這三個亞基的序列在蛋白質數據庫中并未被定義，因此質譜分析無法鑒定出準確的氨基酸序列?！?/p>

不過，巧合的是，日本科學家于 2022 年 11 月發表了關于片瀨（Katase）溫泉沉淀物中微生物的宏基因組分析，其中一個物種的基因序列，竟與光合玫瑰菌擁有 90% 以上的相似性[3]。

這給了該團隊很大的啟發。在浙江大學腦與腦機融合前沿科學中心師揚研究員的幫助下，他們基于劍橋大學舍爾斯·謝雷斯（Sjors Scheres）教授開發的自動建模軟件和序列檢索與比對，共同鑒定出了 X、Y 和 Z 蛋白的氨基酸序列。

“師揚也是我們 2018 年發表的光合玫瑰菌反應中心-捕光復合體 4.1 埃分辨率結構文章的共同第一作者，當時他還是中國科學院生物物理研究所的一名博士生?！毙鞎粤嵴f。

在此基礎上，該團隊正在嘗試構建光合玫瑰菌的遺傳操作體系，希望通過基因操作突變反應中心-捕光復合體中結合類胡蘿卜素的氨基酸殘基，來獲得完全缺失類胡蘿卜素的 dRC-LH 復合體。

隨后，有望通過多種生物物理和生物化學方法，深入地研究類胡蘿卜素的合成、在反應中心-捕光復合體中的組裝和光化學反應里面發揮的作用及其分子機制。

基于復合體光化學特性開發光生物電化學器件

植物和細菌的光合復合物，能夠以近 100% 的光捕獲效率，進行光化學電荷分離。其高效的光電轉換能力，使得基于此類復合物制備的光生物電化學電池備受關注。

與紫細菌相比，光合玫瑰菌的反應中心沒有H亞基，緊密結合的細胞色素 c 亞基使得光反應中心更高效地接受來自膜周質側的電子，從而具有更高的電子傳遞效率。反應中心-捕光復合體的這些特殊結構特征，吸引該課題組在體外檢測其光電轉化能力。

2022 年，他們用最簡單的材料化學方法，初步制備了一種簡易的、具有特殊電子傳遞路徑的 FTO-鉑光生物電化學電池[4]。

他們用 FTO 玻璃（指摻雜氟的氧化錫導電玻璃）和鍍有鉑層的 FTO 玻璃，分別作為親水的前電極和疏水的對電極，兩電極由 300 微米厚的“凹”形熱熔膜連接，向空腔中注入反應中心-捕光復合體和介質吩嗪硫酸甲酯時，檢測到約為 320nA/cm2的穩態電流。

與基于紫細菌 RC-LH1 制備的光生物電化學電池相比，這種光生物電化學電池的優勢是克服了 H 亞基對光電轉換效率的限制，激發態特殊細菌葉綠素對分離的電子，在經細菌葉綠素和脫鎂葉綠素傳遞到醌分子后，可直接進入前電極；并通過外電路轉移至對電極，介質在對電極處接受電子后傳遞至細胞色素 c 中的血紅素，還原激發態的特殊細菌葉綠素對，以形成穩態電流。

“基于本研究中發現的類胡蘿卜素組裝調節反應中心-捕光復合體結構和醌交換的分子機制，未來我們計劃采用合成生物學方法，優化反應中心-捕光復合體的結構和光化學效率，希望能將這個‘極簡’且熱穩定的光反應中心，用于制備新型的光生物電化學傳感器?！毙鞎粤岜硎?。

此外，接下來她還打算帶領團隊對光合玫瑰菌的電子傳遞和能量代謝途徑進行調控，以獲得能夠高效綠色固碳、產氫、生產 3-羥基丙酸等重要化工產品的工程菌株，從而為能源綠色轉型做出努力。

參考資料：

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

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