革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”

图片显示的是植物 RNA 聚合酶 PEP 的高分辨率三维模型，它在光合作用中发挥着核心作用。图片来源：Paula Favoretti Vital do Prado 和 Johannes Pauly / MPI-NAT, UMG

没有光合作用，就没有空气可呼吸--光合作用是地球上所有生命的基础。这一复杂的过程使植物能够利用太阳光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这一转化过程在叶绿体中进行，叶绿体是光合作用的核心。叶绿体是在进化过程中形成的，当时今天植物细胞的祖先吸收了一种光合蓝藻。随着时间的推移，这种细菌越来越依赖于它的"宿主细胞"，但仍保留了一些重要的功能，如光合作用和细菌基因组的一部分。因此，叶绿体仍然拥有自己的DNA，其中包含"光合作用机器"关键蛋白质的蓝图。

从 PEP 到能源

马克斯-普朗克多学科科学研究所（MPI）研究组组长、哥廷根大学医学中心教授、哥廷根"多尺度生物成像"（MBExC）英才集群成员豪克-希伦（Hauke Hillen）教授博士解释说："一种独特的分子复制机器，即名为 PEP 的 RNA 聚合酶，从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令。希伦强调说，它对于激活光合作用所需的基因至关重要。没有正常运作的 PEP，植物就不能进行光合作用，就会变成白色而不是绿色。"

不仅复制过程复杂，复制机器本身也很复杂：它由一个多亚基核心复合体（其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码）和至少 12 个相关蛋白质（称为 PAPs）组成。植物细胞的核基因组为这些蛋白提供了蓝图。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所教授 Thomas Pfannschmidt 博士说："到目前为止，我们已经能够从结构和生物化学角度描述叶绿体复制机的一些单独部分，但我们还缺乏对其整体结构和单个 PAPs 功能的精确了解。"

3D 详细快照

通过密切合作，豪克-希伦（Hauke Hillen）和托马斯-普范施密特（Thomas Pfannschmidt）领导的研究人员现在首次成功地以 3.5 埃（比毫米小 3500 万倍）的分辨率对 19 个亚基的 PEP 复合物进行了三维可视化。

"我们从植物研究的典型模式植物--白芥子中分离出了完整的 PEP，"Pfannschmidt 团队的成员、现发表在《分子细胞》（Molecular Cell）杂志上的这项研究的第一作者之一弗雷德里克-阿伦斯（Frederik Ahrens）介绍说。随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由 19 个部分组成的 PEP 复合物的详细三维模型。为此，研究人员对样本进行了超高速速冻。然后，研究人员从多个角度对复制机进行了数千次拍摄，直至原子级别，并通过复杂的计算机计算将它们组合成一个整体图像。

"结构快照显示，PEP 核心与其他 RNA 聚合酶（如细菌或高等细胞的细胞核）中的核心相似。然而，它包含叶绿体特有的特征，这些特征介导了与 PAPs 的相互作用。后者只有在植物中才能发现，而且它们的结构非常独特，"国际植物研究所博士生、MBExC 赫莎-斯波纳学院成员、该研究的第一作者 Paula Favoretti Vital do Prado 解释说。科学家们已经假定，PAPs 在读取光合作用基因的过程中发挥着各自的功能。

"我们可以看到，这些蛋白质以一种特殊的方式排列在 RNA 聚合酶核心周围。根据它们的结构，PAPs很可能以各种方式与核心复合体相互作用，并参与基因读取过程，"Hillen补充说。

了解光合作用的演变

研究小组还利用数据库寻找进化线索。他们希望找出在其他植物中观察到的复制机结构是否相似。Pfannschmidt 说："我们的研究结果表明，PEP 复合物的结构在所有陆生植物中都是相同的。关于叶绿体 DNA 复制过程的新发现有助于我们更好地了解光合作用机器生物发生的基本机制。这些发现对未来的生物技术应用也很有价值。"

编译自:ScitechDaily