在爱好太阳的细菌中光合作用的起源出现了新的图景

如果只有我们能够更有效地捕获所有能量，每天都有足够的阳光照射地球，为地球提供多次动力。由于今天的太阳能电池板效率受到限制(目前，超过80%的可用太阳能作为热量损失)，科学家们一直在研究自然界，以便更好地了解光合作用植物和细菌捕获阳光的方式。

“大自然的光合作用发明是驱动生物圈的最重要的能量转换过程，光合作用永远改变了地球的大气层，”亚利桑那州立大学生物设计研究所应用结构生物学中心和分子学院的副研究教授Raimund Fromme说。科学。

超过30亿年前，我们的星球没有氧气。在这个时候，大自然想出了一种捕捉阳光并将其转化为食物的方法，以利用这种永恒的能源。

现在，由Fromme领导的一个研究小组通过近原子清晰度解决了重要的新见解，这是最简单的已知光合细菌中的第一个核心膜蛋白结构，称为Heliobacterium modesticaldum(Helios是希腊太阳神)。

通过解决这种爱好阳光的土壤细菌的光合作用的核心，Fromme的研究团队对光合作用的早期进化以及植物系统之间这一重要过程的不同有了新的认识。

他们的发现为科学家提供了一个全新的模板，为有机太阳能电池板设计奠定了基础，被称为太阳能“人造叶子”，或可能的可再生生物燃料应用。

研究结果发表在今天的“科学”杂志上。

大自然最了解

亚利桑那州立大学长期以来一直是光合作用的长期研究领导者，可以追溯到20世纪70年代作为研究型大学的第一个十年。对于那些被索诺兰沙漠独特美景吸引的科学家来说，这是一个天生的选择，它拥有300多天的年度日照，是全国捕获太阳能的最佳地点。

生命的太阳能电池板，科学家称之为光系统，被植物，藻类和光合细菌用作一种非常有效的系统，用于捕获几乎所有可利用的光子生长和茁壮成长，几乎填满了地球上的每个角落。

Fromme是亚利桑那州立大学大型结构生物学研究小组的成员，他们通过拍摄光合作用反应中心内的关键蛋白质来帮助将光转化为能量，从而逐步获得更好的理解。

“为了真正完全理解光合作用，人们必须遵循将光转化为化学能的过程，”Fromme说。“这是有史以来研究最快的化学反应之一，这也是研究和理解这么难的一部分。”

相比之下，光合作用的时间尺度将闪电般的光线变成了类似蜗牛的速度。光合作用反应发生在皮秒级，即1万亿分之一秒。皮秒是一秒钟，一秒钟是37,000年。

但ASU结构生物学家正在使用更强大的X射线技术，通过在整个过程中捕获结晶蛋白的冻结图像，有朝一日追赶光。

闪电在一个瓶子里

为了研究光合作用，Fromme探索了最简单形式的光合作用，即最近在温泉附近的泥质土壤中发现的heliobacteria。

单细胞的heliobacteria比植物更简单，但根本不同。例如，在光合作用期间，而不是使用像植物一样的水，heliobacteria使用硫化氢。它们在没有氧气的情况下生长，在光合作用后，发出腐臭的鸡蛋气味代替氧气。

Heliobacteria利用其独特的地方成功地开辟了自己的生态位，因为它们使用近红外波长的光进行光合作用，这对于冰岛或泥水稻田等低光照条件非常适合。植物根本无法竞争。

科学家们想要了解日光杆菌如何实现这一目标。

对行动的反应

光合作用的核心是反应中心;它是一种精细的颜料和蛋白质复合物，可将光转化为电子，为细胞提供动力。

叶绿素是使植物变绿的色素。在植物中，叶绿素捕获太阳的能量，并利用它从空气和水中产生二氧化碳。

高等植物，绿藻和蓝细菌的氧合成光合作用利用光照系统I(PSI)，它是I型RC，和光系统II(PSII)，它是II型RC。这些一起工作以从水中提取电子到铁氧还蛋白，并最终将能量载体NADP +还原为NADPH。

相比之下，无氧光养细菌，如Heliobacterium modesticaldum，使用单个RC来驱动循环电子转移(ET)途径，该途径在膜上产生质子动力，其用于通过ATP合成驱动能量产生和代谢。

反应中心将这些参与者包围成笼子，通过将所有元素组合在一起，有效地捕获所有可用的能量和光子。

反应中心(RC)有两种主要的辅助因子：铁(I型)或醌(II型)。

Heliobacteria具有最简单的已知反应中心并使用独特的叶绿素。

heliobacteria的发现导致其RC的独特特征的鉴定(在20世纪90年代，前ASU化学主席Robert Blankenship首先领导了一个小组来帮助序列和表征heliobacteria RCs)。

已经提出，heliobacteria RC是最接近所有光合作用反应中心最早共同祖先的物种，当大约30亿年前，早期地球含有富含硫的海洋和少量氧气。

但成功纯化RC蛋白和生长X射线实验所需的晶体可能是一个漫长而艰难的过程。

特别是，Fromme的研究项目是在七年前开始的，因为博士后研究员Iosifina Sarrou首先改进了heliobacterial反应中心的制备。经过许多初步的结晶试验后，发现了X射线衍射晶体电荷。

“这是晶体学家正在等待的那一刻，”Fromme说，他解释了生长适合X射线研究的完美蛋白质晶体所需的时间。

两个探戈

在这些令人鼓舞的结果之后，Christopher Gisriel加入了团队并将衍射质量提高到2.2埃的最终质量。

尽管如此，研究小组还是无法解决晶体结构问题。

这次中断需要两年时间，直到2016年8月。然后，终于有了突破。

在这一点上“随着每个新的叶绿素受到欢呼，”在未知领域开始了惊心动魄的发现，“Fromme记得，并”证明了每个人对heliobacteria的RC的初步预测是错误的。“

使用位于加利福尼亚州伯克利的先进光源的X射线光，以及位于伊利诺伊州阿贡国家实验室的高级光子源的光束线，Fromme的小组现在已经在近原子上首次可视化了heliobacteria RC，2.2-埃分辨率(埃是氢原子的宽度)。

他们在heliobacter RC中发现了几乎完美的对称性。

首先，一对蛋白质的氨基酸组成相同，称为同型二聚体。

这是第一次发现RC只含有一对蛋白质同型二聚体来驱动光合作用。

最后，他们将大约60个叶绿素映射到RC蛋白复合物上，这最终比他的研究预测的Pennstate大学的同事John Golbeck高出许多。

核心多肽二聚体和两个小亚基配位54个(细菌)叶绿素和2个类胡萝卜素，它们在反应中心捕获能量并将能量转移到核心，进行电荷分离，稳定化和电子转移，它由6个(细菌)叶绿素和铁组成。 - 硫簇;与其他反应中心不同，它缺乏结合的醌。

因此，该结构支持这样的假设，即HbRC中的电子传递不需要中间辅助因子。

“已经从多种异二聚体(多于一种蛋白质)的RC(紫色细菌RC，PSI和PSII)获得了高分辨率结构，但直到现在还没有解决同型二聚体RC结构，”Fromme说。

光合作用的古老起源

此外，随着DNA测序技术的爆炸式增长，以及能够了解生命中所有基因和蛋白质的潜在能力，他们还追踪了光合作用RC的进化。

这个反应中心能否催生所有其他反应中心，导致更多的复杂性?

在进化学术语中，这意味着heliobacteria RC可能首先来自单个基因。

“这种结构保留了祖先反应中心的特征，提供了对光合作用进化的洞察力，”Fromme的同事Kevin Redding解释道。“从我们拥有的新结构来看，对于一个引人注目的案例肯定是有道理的。”

然后，该基因可能已被复制以增加进化复杂性。

“同源二聚体RC在进化过程中几乎肯定先于异二聚体RCs，”Fromme说。核心RC亚基基因的复制随后两个基因的分歧将允许同型二聚体转化为异二聚体RC。这可能发生在至少三个不同的场合，导致在其他光合细菌和植物中发现所有不同的和更复杂的反应中心。“

太阳将再次升起

Fromme的小组对新结果的潜力感到兴奋。这样的理解可以在一天之内帮助世界各地的研究小组建立一个人工光合作用中心，可以帮助开发下一代混合有机太阳能电池板，可能使用heliobacter来增强光吸收并开始提高太阳能效率或驱动太阳能可再生生物燃料技术。

毕竟，明天太阳将再次升起，等待越来越多聪明的技术，科学家们可以梦想捕捉太阳能的全部潜力。