蓝藻研究检查氮饥饿期间的细胞结构

利用非破坏性中子散射技术，科学家们正在研究称为蓝细菌的单细胞生物如何产生氧气并通过光合作用获得能量。华盛顿大学圣路易斯分校和美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)的合作者正在进行一系列实验，研究藻蓝细胞中藻胆体 - 大天线蛋白复合物的行为- 使用Bio-SANS仪器，beamline CG-3，在实验室的高通量同位素反应器(HFIR)。藻胆体收获光以启动光合作用，更好地了解这一过程可以帮助研究人员设计出更有效的太阳能电池板和模仿自然系统的其他人工结构。

中子可以分析这些微妙的结构而不会损坏或杀死它们，并且比其他技术(如显微镜)具有更高的空间精度。“通过Bio-SANS，我们可以在活细胞中实时看到纳米级水平的变化，”ORNL研究员休·奥尼尔说。

藻胆体附着于细胞膜，其中发生光合作用的光依赖性反应。改变藻胆体的天线复合物可以在蓝细菌中产生显着且深远的影响。“我们有兴趣修改这些天线系统并观察由此产生的结构变化，”华盛顿大学的Michelle Liberton说。

在此前访问ORNL期间，该团队通过删除细胞中的某些基因来人工改变藻胆体。这些修饰引起细胞膜的结构缺陷和细胞生理学的其他剧烈变化。

现在，他们通过使蓝藻饥饿来自然地修改天线复合物，氮是一种对其基本功能必不可少的营养素。该耗尽过程导致天线尺寸减小，这又导致膜层中的显着细胞重排和修改。

这一系列事件的发生是因为细胞分解了藻胆体，并将它们作为替代氮源来生存。“藻胆体天线复合物是细胞中大量微量营养素的存储，”Liberton解释说。“当复合物降解时，细胞可以获得它们无法再从环境中获取的物质。”

通过确定这些变化的程度，该团队希望更好地理解细胞组织和自然修饰之间的结构 - 功能关系。通过将氮还原到细胞中可以立即逆转这些过程。

研究人员计划将这些结果与其基因研究记录的结果进行比较，以探讨人工和天然修饰之间的差异及其对蓝细菌细胞内组成的影响。

这些研究结果支持光合天线研究中心(PARC)，这是自2009年以来由华盛顿大学资助的能源部资助的能源前沿研究中心。该中心汇集了来自学术界和研究机构(包括ORNL)的国际专家网络，以研究天线系统和它们在光合作用中的作用。“从根本上讲，这项研究与自然系统使用太阳能灯的效率有关，”Bio-SANS仪器科学家和PARC合作者Volker Urban说。

这些见解对于希望改善受自然界启发的可持续技术的PARC贡献者来说是非常宝贵的。