闡明南極藻類通過紅外線進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)。外星生命的新鑰匙？

2023.02.16

闡明南極藻類通過紅外線進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)。外星生命的新鑰匙？自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)星象學(xué)中心中央大學(xué) 東北大學(xué) 高能加速器研究機(jī)構(gòu) 自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)生物學(xué)研究所國(guó)立極地研究所兵庫縣立大學(xué)

發(fā)布要點(diǎn): 植物和藻類一般來說，即使在太陽光所含的光中，也只能利用可見光進(jìn)行光合作用。南極繁殖的某些藻類可以利用紅外線進(jìn)行光合作用，但其結(jié)構(gòu)尚不清楚。用一種叫做低溫電子顯微鏡的裝置揭示了該藻類用于紅外線進(jìn)行光合作用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。在太陽系外發(fā)現(xiàn)的行星大多位于溫度比太陽低、主要發(fā)出紅外線的恒星周圍，暗示著將紅外線用于光合作用的生命可能性。這次的成果可能是探索這樣的生命可能性的線索。

圖1:Pc-frLHC的立體結(jié)構(gòu)分子模型用不同的顏色表示了每一個(gè)蛋白質(zhì)。 11個(gè)葉綠素分子(球體表示的分子)與各個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)合在一起。蛋白質(zhì)部分用功能區(qū)圖表示。 (信貸:星形生物中心)研究概述: 星形生物學(xué)中心特任研究員小杉真貴子(現(xiàn)為基礎(chǔ)生物學(xué)研究所特任助教及中央大學(xué)共同研究員)、高能加速器研究機(jī)構(gòu)( KEK )物質(zhì)結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所副教授川崎政人、安達(dá)成彥、特任副教授、守屋俊夫、千田俊哉教授、東北大學(xué)副教授柴田穧、秋田縣立大學(xué)的原光二郎副教授、東京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高市真一元教授、基礎(chǔ)生物學(xué)研究所的龜井保博RMC教授、兵庫縣立大學(xué)的菓野康浩副教授、國(guó)立極地研究所的工藤榮教授、中央大學(xué)的小池裕幸教授的研究小組，在已知用作為紅外線的一部分的遠(yuǎn)紅色光( 700~800 nm )進(jìn)行氧發(fā)生型光合作用的綠藻南極裂體藻中，鑒定了用于吸收遠(yuǎn)紅色光的光捕獲天線蛋白質(zhì)( Pc-frLHC )，位于KEK的低溫電子顯微鏡下 Pc-frLHC由11個(gè)相同蛋白質(zhì)環(huán)狀結(jié)合而成的大復(fù)合體(圖1 )。提示一個(gè)蛋白質(zhì)分別結(jié)合11個(gè)葉綠素，其中5個(gè)葉綠素是與遠(yuǎn)紅光吸收相關(guān)的特別葉綠素。光譜學(xué)分析表明，這種特殊葉綠素吸收的遠(yuǎn)紅光的部分能量在Pc-frLHC內(nèi)轉(zhuǎn)化為與可見光同等的能量進(jìn)行光合利用。該結(jié)果于2023年2月15日刊登在英國(guó)科學(xué)雜志《Nature Communications》上( Kosugi et al .，2023，“uphill energy transfer mechanism for photo synthed”) 研究背景: 植物和藻類進(jìn)行的光合作用，利用太陽光中含有的可見光( 350~700 nm )的能量將水分解為氧、氫和電子，然后得到的還原力被利用于二氧化碳的同化。波長(zhǎng)比700 nm長(zhǎng)的光被稱為紅外線，但紅外線與可見光相比能量低，因此通常不用于水的分解。迄今為止，已有研究表明部分藍(lán)藻(注釋2 )會(huì)利用紅外線進(jìn)行光合作用，但植物和藻類等真核光合生物(注釋2 )尚未進(jìn)行分析。天體生物學(xué)中心的小杉(現(xiàn)基礎(chǔ)生物學(xué)研究所)等人最近發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在南極陸地上的真核光合作用生物綠藻的“南極裂體藻”利用作為紅外線一部分的遠(yuǎn)紅光( 700~800 nm )進(jìn)行了與可見光同樣能量轉(zhuǎn)換效率良好的光合作用。南極的陸地環(huán)境氣溫低，頻繁凍結(jié)，極其干燥。再加上夏天會(huì)有非常強(qiáng)的紫外線照射，所以大部分生物都不能生存。南極裂體藻非常耐干燥和凍結(jié)，無論是干燥還是長(zhǎng)期冷凍，只要澆水就能馬上恢復(fù)代謝活性。由于這些性質(zhì)，成為了少數(shù)能在南極陸地環(huán)境中生長(zhǎng)的光合生物之一。南極裂體藻形成了細(xì)胞層層重疊的菌落(集合體) (圖2 )。

圖2 :南極·昭和基地周邊(右圖☆標(biāo)記)的露巖中形成的南極裂體藻菌落。當(dāng)?shù)叵募?，?4次南極地區(qū)觀測(cè)隊(duì)活動(dòng)中攝影、比較用的尺子為2.3厘米。 (信貸:星形生物中心) 在菌落表層附近，太陽光充足，所以可以將可見光用于光合作用，但也有因太陽光中含有的紫外線而導(dǎo)致細(xì)胞受到損傷的缺點(diǎn)。另一方面，菌落下層受到紫外線損傷的可能性減少，但可見光由表層側(cè)的藻吸收并用于光合作用，因此幾乎無法到達(dá)，成為表層側(cè)的藻不利用的紅外線比例多的環(huán)境。可以認(rèn)為，龍葵在進(jìn)化過程中獲得了利用紅外線進(jìn)行光合作用的系統(tǒng)，通過增加菌落下層的光合作用量，即使在南極這樣非常艱苦的環(huán)境中也能進(jìn)行繁殖(圖3 )。

圖3 :南極裂體藻菌落表層和下層光環(huán)境和光合系統(tǒng)的差異。 (信貸:星形生物中心) 可利用紅外線進(jìn)行光合作用的生物的存在，在天體生物學(xué)(宇宙生物學(xué))領(lǐng)域也備受矚目。這是因?yàn)槠駷橹拱l(fā)現(xiàn)的系外行星大多位于比太陽暗、紅外線比可見光多的低溫星周圍(注釋3 )。光合生物釋放到大氣中的氧被認(rèn)為是調(diào)查系外行星上是否存在生物時(shí)，從地球上也可以觀測(cè)到的生命痕跡之一。弄清地球上利用紅外線進(jìn)行光合作用的機(jī)制和進(jìn)化過程，對(duì)于討論低溫星周圍的系外行星中氧的檢測(cè)可能性很重要。此外，研究還表明，南極裂體藻的紅外線利用型光合作用包括用低能量激發(fā)處于高能量水平的分子的上丘型能量轉(zhuǎn)移(注釋4 )，實(shí)現(xiàn)高光利用效率的機(jī)制可能包括迄今為止未知的量子生物學(xué)反應(yīng)。因此，我們的目標(biāo)是從南極裂體藻中純化并鑒定紅外線捕獲天線蛋白質(zhì)，通過明確其分子結(jié)構(gòu)來闡明紅外線利用型光合作用的機(jī)制。研究成果: 實(shí)驗(yàn)中使用的“南極裂體藻”是在第49次及第54次南極地區(qū)觀測(cè)隊(duì)的活動(dòng)中采集到的。通過破碎南極裂體藻的細(xì)胞，根據(jù)蛋白質(zhì)的大小和電荷進(jìn)行區(qū)分，純化出對(duì)遠(yuǎn)紅光有明顯吸收帶的蛋白質(zhì)，并使用PC-fr LHC ( prasiola crispa far-red light harvesting CHL-binding ) 分析了構(gòu)成蛋白質(zhì)氨基酸的排列方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Pc-frLHC是與植物或綠藻所具有的光捕獲天線蛋白質(zhì)中的一部分綠藻的光化學(xué)系I (注釋5 )結(jié)合的4次跨膜型(注釋6 )的lhci ( lightharvestingchloloci ) 據(jù)報(bào)道，這種4次跨膜型LHCI在綠藻的衣藻中能吸收最長(zhǎng)波長(zhǎng)的可見光，但幾乎不能吸收遠(yuǎn)紅光( Mozzo et al. 2010 )。此外，由于Pc-frLHC作為進(jìn)行水分解的光化學(xué)系II (注釋5 )的天線而不是光化學(xué)系I發(fā)揮作用，綠藻原本具有的長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收型LHC的吸收帶進(jìn)一步向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，作為光化學(xué)系II的天線進(jìn)行了進(jìn)化。在低溫電鏡的單粒子分析中，成功地以高分辨率獲得了Pc-frLHC的三維立體結(jié)構(gòu)分子模型。綠藻的一般光化學(xué)系ⅱ天線蛋白質(zhì)為3個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)合的結(jié)構(gòu)，本次分析的Pc-frLHC為11個(gè)蛋白質(zhì)環(huán)狀結(jié)合的新型復(fù)合體結(jié)構(gòu)(圖4 )。發(fā)現(xiàn)一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)合了11個(gè)葉綠素，環(huán)內(nèi)所有的葉綠素都存在于能量可以傳遞的距離，形成了能量連接的網(wǎng)絡(luò)。通常葉綠素吸收可見光，但眾所周知，當(dāng)多個(gè)葉綠素分子相互靠近并相互作用時(shí)，吸收帶的一部分會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)移動(dòng)。能夠吸收較長(zhǎng)波長(zhǎng)光的衣殼多糖的4次跨膜型LHCI中有2個(gè)葉綠素接近的報(bào)告( Mozzo et al. 2010 )，而Pc-frLHC中這2個(gè)葉綠素更接近，有5個(gè)葉綠素接近認(rèn)為這種葉綠素結(jié)構(gòu)引起了Pc-frLHC的遠(yuǎn)紅光吸收。

圖4 :綠藻中光合光捕獲天線蛋白結(jié)構(gòu)的比較光化學(xué)系I和與其周圍結(jié)合LHCI (左，蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫ID: 6jo5，suga et al.2019 nature plants5: 626-636 )、本研究中明確的遠(yuǎn)紅色光捕獲蛋白質(zhì)(中央)和光化學(xué)系II (信貸:星形生物中心) 為了了解遠(yuǎn)紅光能量被Pc-frLHC吸收的轉(zhuǎn)移過程，用遠(yuǎn)紅光超短脈沖激光激發(fā)Pc-frLHC長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收型葉綠素，研究了葉綠素?zé)晒?注釋7 )如何隨時(shí)間變化。此時(shí)，長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收型葉綠素發(fā)出的熒光在713 nm，普通葉綠素發(fā)出的熒光在680 nm被檢測(cè)到。通過調(diào)查680 nm的熒光如何隨著時(shí)間增加，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收型葉綠素和普通葉綠素之間的能量在25皮秒( =0.000000025秒)以內(nèi)來回移動(dòng)。該結(jié)果顯示，Pc-frLHC內(nèi)確實(shí)發(fā)生了從長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收型葉綠素向普通葉綠素的上希爾型激發(fā)能轉(zhuǎn)移。在這個(gè)過程中，遠(yuǎn)紅色光的能量的一部分被轉(zhuǎn)換成可見光的能量，可以認(rèn)為之后的光合作用反應(yīng)會(huì)和吸收可見光時(shí)一樣進(jìn)行。今后的展望: 詳細(xì)闡明上希爾型激發(fā)能轉(zhuǎn)移為了弄清遠(yuǎn)紅光對(duì)光系統(tǒng)II的高激發(fā)效率的全貌，有必要詳細(xì)分析從Pc-frLHC向光系統(tǒng)II的能量轉(zhuǎn)移。因此，我們的目標(biāo)是將Pc-frLHC與光化學(xué)系ⅱ結(jié)合狀態(tài)的超復(fù)合體從南極裂體藻的細(xì)胞中純化出來，并弄清其激發(fā)能轉(zhuǎn)移過程。遠(yuǎn)紅色光利用型氧發(fā)生型光合生物的進(jìn)化學(xué)方面雖然沒有進(jìn)行蛋白質(zhì)的鑒定和結(jié)構(gòu)分析，但是除了南極裂體藻以外，還報(bào)告了多種具有明顯遠(yuǎn)紅色光吸收帶的真核藻類，因此，其他真核藻類中也可能存在與此次在南極裂體藻中發(fā)現(xiàn)的Pc-frLHC同樣的遠(yuǎn)紅色光吸收型光捕獲蛋白質(zhì)。獲取各種藻類中遠(yuǎn)紅光利用型光捕獲蛋白的氨基酸序列，揭示其進(jìn)化系統(tǒng)，同時(shí)分析遠(yuǎn)紅光利用機(jī)制的同源性和多樣性。星象學(xué)方面以太陽系外行星為目標(biāo)的生命探測(cè)，期待著今后隨著新一代超大型望遠(yuǎn)鏡的開發(fā)取得巨大的進(jìn)展。作為可以觀測(cè)的生物痕跡(生物簽名)被認(rèn)為是有力的氧氣，在低溫星周圍的系外行星上有可能檢測(cè)到“來自光合作用的”氧氣嗎？通過明確地球上存在的紅外線引起的氧發(fā)生型光合作用的詳細(xì)情況，探索低溫星周圍的系外行星的光合生物進(jìn)化的可能性。腳注: 低溫電子顯微鏡單粒子分析:近年來發(fā)展迅速的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)。傳統(tǒng)的基于x射線的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析需要蛋白質(zhì)結(jié)晶，但低溫電子顯微鏡沒有該必要，即使是難以結(jié)晶化的樣品和像這次南極來源生物那樣只能得到少量的樣品，分析也變得容易。藍(lán)藻和真核光合生物:藍(lán)藻是最原始的產(chǎn)氧型光合生物，被認(rèn)為是葉綠體的祖先。藍(lán)藻在細(xì)胞內(nèi)共生，進(jìn)化而成的是真核的光合生物藻類和植物。用遠(yuǎn)紅光進(jìn)行光合作用的機(jī)制在藍(lán)藻和真核光合生物中是不同的，明確這兩者很重要。低溫度星:溫度比太陽( g型)輕、低的恒星，也稱為m型矮星。因?yàn)樵谟钪嬷写嬖诘暮阈侵斜壤冀^大多數(shù)，所以被認(rèn)為是生命探測(cè)的重要對(duì)象。由于紅外線的比例比可見光多，所以周圍的系外行星的環(huán)境中紅外線也很出色。上希爾型激發(fā)能轉(zhuǎn)移:葉綠素分子之間的激發(fā)能轉(zhuǎn)移通常由高能級(jí)分子轉(zhuǎn)移到低能級(jí)分子，這種逆反應(yīng)稱為上希爾型激發(fā)能轉(zhuǎn)移。一般認(rèn)為，上希爾型激發(fā)能量轉(zhuǎn)移是在分子間的能量差被熱能彌補(bǔ)的情況下發(fā)生的。光化學(xué)系ⅰ及光化學(xué)系ⅱ:葉綠體類囊體膜中存在的與電子傳遞系統(tǒng)有關(guān)的蛋白質(zhì)。具有在光能中引起電荷分離的特別的葉綠素反應(yīng)中心。光化學(xué)系II分解水，光化學(xué)系I將從光化學(xué)系II接收的電子的能級(jí)提高到能夠還原固定二氧化碳所需的電子傳遞體的水平。光化學(xué)系II的激發(fā)需要波長(zhǎng)比光化學(xué)系I短的光能。 4回跨膜LHC :藻類的光捕獲天線蛋白大多以折疊嵌入葉綠體中一層稱為類囊體膜的脂雙層形式存在。根據(jù)折疊的數(shù)量，貫通膜的次數(shù)會(huì)發(fā)生變化。葉綠素?zé)晒?受光電子激發(fā)的葉綠素處于能量較低狀態(tài)時(shí)發(fā)出的光。論文信息: 雜志: Nature Communications 標(biāo)題: uphill energy transfer mechanism for photo synthesis in an Antarctic alga 作者:小杉真貴子，川崎政人，柴田穣，原光二郎，高市真一，守屋俊夫，安達(dá)成彥，龜井保博，點(diǎn)心野康浩，工藤榮，小池裕幸，千田俊哉 DOI: 10.1038/s41467-023-36245-1 https://www.nature.com/articles/s 41467-023-36245-1 關(guān)于研究?jī)?nèi)容的咨詢方式: 自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)生物學(xué)研究所特任助教小杉真貴子 E-mail: mkosugi@nibb.ac.jp 關(guān)于宣傳的咨詢方式: 自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)星象學(xué)中心特聘專家日下部展彥 e-mail:nb.kusak Abe @ nao.AC.jp tel:0422-34-4066

本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)點(diǎn)擊舉報(bào)。

开心六月综合激情婷婷|欧美精品成人动漫二区|国产中文字幕综合色|亚洲人在线成视频