科学家发现光合作用的原子级秘密

光合作用的奥秘已在原子水平上被揭开，让人们对这一十多亿年前将地球变成绿色景观的植物超级力量有了重要的新认识。约翰-英纳斯中心的研究人员使用一种名为低温电子显微镜的先进显微镜方法来探索光合作用蛋白质是如何产生的。这项发表在《细胞 》杂志上的研究提供了一个模型和资源，以促进该领域的进一步基础发现，并帮助实现开发抗逆性更强的作物的长期目标。

了解光合蛋白质的生产

论文的共同作者、研究小组组长迈克尔-韦伯斯特（Michael Webster）博士说：”叶绿体基因的转录是制造光合蛋白的基本步骤，光合蛋白为植物提供生长所需的能量。我们希望通过更好地了解这一过程–在详细的分子水平上–能够帮助研究人员开发出光合作用更强的植物。这项工作最重要的成果是创建了一个有用的资源。研究人员可以下载我们的叶绿体聚合酶原子模型，并利用它提出自己关于叶绿体聚合酶如何发挥作用的假设，以及检验这些假设的实验策略。”

光合作用是在叶绿体内进行的，叶绿体是植物细胞内的一个小区块，它含有自己的基因组，反映了叶绿体在被植物吞噬和合并之前曾是自由生活的光合细菌。

看到植物叶绿体中转录光合基因的聚合酶分子。用电子显微镜收集到的单个分子图像经过分类和排列，揭示了蛋白质复合体结构架构的细节。资料来源：迈克尔-韦伯斯特和伊斯卡-普拉马尼克

约翰-英纳斯中心的韦伯斯特小组研究植物如何制造光合蛋白，光合蛋白是实现这一优雅化学反应的分子机器，它将大气中的二氧化碳和水转化为单糖，并产生氧气作为副产品。

蛋白质生产的第一阶段是转录，通过读取基因产生”信使RNA”。转录过程由一种名为 RNA 聚合酶的酶完成。

叶绿体 RNA 聚合酶的复杂性

50 年前，人们发现叶绿体中含有自己独特的 RNA 聚合酶。从那时起，科学家们就对这种酶的复杂程度感到惊讶。它比它的祖先细菌 RNA 聚合酶有更多的亚基，甚至比人类的 RNA 聚合酶还要大。

韦伯斯特小组希望了解为什么叶绿体具有如此复杂的 RNA 聚合酶。为此，他们需要对叶绿体 RNA 聚合酶的结构构造进行可视化。研究小组使用一种称为低温电子显微镜（cryo-EM）的方法，对从白芥子植物中纯化的叶绿体RNA聚合酶样本进行成像。

原子级分析的启示

通过处理这些图像，他们建立了一个包含分子复合体中 5 万多个原子位置的模型。

RNA 聚合酶复合体由 21 个亚基组成，分别在核基因组和叶绿体基因组中编码。研究人员对这一结构进行了仔细分析，从而开始解释这些元件的功能。

这个模型让他们确定了一种蛋白质，它能在DNA转录过程中与DNA相互作用，并引导DNA进入酶的活性位点。

另一种成分可以与正在产生的 mRNA 相互作用，从而在 mRNA 转化为蛋白质之前保护它不被蛋白质降解。

韦伯斯特博士说：”我们知道叶绿体 RNA 聚合酶的每一个组成部分都起着至关重要的作用，因为缺少其中任何一个组成部分的植物都不能制造光合蛋白质，因此也就不能变绿。我们正在仔细研究原子模型，以确定装配的 21 个组件中每个组件的作用。”

第一作者Ángel Vergara-Cruces博士说：”现在我们有了一个结构模型，下一步就是确认叶绿体转录蛋白的作用。通过揭示叶绿体转录的机制，我们的研究有助于深入了解叶绿体在植物生长、适应和应对环境条件中的作用。”

共同第一作者伊斯卡-普拉马尼克（Ishika Pramanick）博士说：”从极具挑战性的蛋白质纯化开始，到为这一巨大复杂的蛋白质拍摄令人惊叹的低温电子显微镜图像，再到最终看到我们的工作成果的印刷版本，在这一非凡的工作历程中有许多令人惊喜的时刻。”

韦伯斯特博士总结道：”高温、干旱和盐度限制了植物进行光合作用的能力。面对环境压力仍能可靠地生产光合蛋白的植物可能会以不同的方式控制叶绿体转录。我们期待看到我们的研究成果被用于开发更强健作物的重要工作中。”

编译自:ScitechDaily