光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)，是規(guī)模最大的太陽能轉(zhuǎn)換過程。光合生物通過把太陽光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，固定二氧化碳為有機(jī)物，同時釋放出氧，為地球上絕大多數(shù)生命提供食物和氧氣。光合生物是自然界最高效的太陽能固定“機(jī)器”，平均每年通過光合生物的光合作用所同化的太陽能約為人類所需能量的10倍。光合作用不僅驅(qū)動著我們地球的環(huán)境變化、推動著高級生命的起源和進(jìn)化，也使得人類文明的誕生和發(fā)展成為可能。
光合作用反應(yīng)中心如何工作？如何起源進(jìn)化？我們?nèi)祟惸芊窭米匀唤绲墓夂献饔脵C(jī)制來提高太陽能利用效率？科學(xué)家們一直在積極對光合作用機(jī)理開展廣泛的研究，尋找這些問題的答案可以幫助我們解決糧食、能源和環(huán)境問題。
近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院、良渚實驗室聯(lián)合中國科學(xué)院植物研究所在全球率先解析了一種古老的光合細(xì)菌——綠硫細(xì)菌的光合反應(yīng)中心空間結(jié)構(gòu)。該研究刷新了人類對古老光合生物的光合作用機(jī)理的認(rèn)知，對于理解光合作用反應(yīng)中心的“認(rèn)祖歸宗”(即進(jìn)化生物學(xué)研究)具有重要的啟示意義。
這一研究于北京時間2020年11月20日，刊登在國際頂級雜志《科學(xué)》，論文第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院/浙江大學(xué)冷凍電鏡中心博士后陳景華，通訊作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院/浙江大學(xué)冷凍電鏡中心、良渚實驗室張興教授和中國科學(xué)院植物研究所匡廷云院士、沈建仁研究員。
追本溯源 刨根問底
反應(yīng)中心是光合作用過程中實現(xiàn)光能-電能轉(zhuǎn)化的核心結(jié)構(gòu)，主要由光合膜上的色素蛋白復(fù)合體構(gòu)成。根據(jù)不同反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)特點，一般將其分為以鐵硫簇為末端電子受體的I型(type-I)反應(yīng)中心和以醌為末端電子受體的II型(type-II)反應(yīng)中心。在產(chǎn)氧光合生物例如藍(lán)細(xì)菌和綠色植物中，這兩類反應(yīng)中心分別進(jìn)化為兩個不同分工的光系統(tǒng)，即光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II。其中，光系統(tǒng)II負(fù)責(zé)將水裂解后制造氧氣；光系統(tǒng)I吸收太陽能，轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，固定二氧化碳，制造食物。
早期地球不含氧氣，是產(chǎn)氧光合作用把早期地球大氣改造成有氧環(huán)境，對高等生物的出現(xiàn)和進(jìn)化具有及其重要的作用。光反應(yīng)過程復(fù)雜，反應(yīng)中心蛋白的空間結(jié)構(gòu)也極其復(fù)雜，因此在地球幾十億年的歷史中只進(jìn)化產(chǎn)生過一次，現(xiàn)在地球上的所有光反應(yīng)中心蛋白都是從同一個祖先蛋白進(jìn)化而來。追本溯源，科學(xué)家希望能夠研究了解在早期地球環(huán)境下，古老的光合反應(yīng)中心是什么樣的空間結(jié)構(gòu)，和現(xiàn)在高等植物的光合反應(yīng)中心有何不同？早期的光合生物是怎么轉(zhuǎn)化太陽能，同時又是如何一步步進(jìn)化、提高能量轉(zhuǎn)化效率的。然而滄海桑田，如今的地球與幾十億年前的環(huán)境已經(jīng)有了天壤之別。如何找到合適的研究對象成為了首要問題。
科學(xué)家們看中了光合細(xì)菌。這是一種35億年前就在地球上出現(xiàn)的古老的原核生物體，它們或許保留著原始的光合作用系統(tǒng)。在經(jīng)歷漫長的生物進(jìn)化和多次對生物界具有毀滅性的氣候大災(zāi)變后，這些古老的生物依然頑強(qiáng)地活著。
綠硫細(xì)菌是光合細(xì)菌大家庭中的一員，這類細(xì)菌能夠從硫化氫、膠體狀硫黃和硫代硫酸鹽等物質(zhì)獲得電子而進(jìn)行厭氧的光合作用。它們生活在例如印度尼西亞的Matano湖和黑海約110-120米的深水中，在那里，光照變得極其微弱，每個細(xì)菌一天也就能夠捕獲少量的光子。更有甚者，在墨西哥海岸附近發(fā)現(xiàn)有一種綠硫細(xì)菌，生活在水深2500米太平洋中的海底黑煙囪周圍。在這么深的海底，陽光已無法企及，它們只能依靠熱洋流的微弱熱輻射而生存。那么，是什么讓綠硫細(xì)菌在光照如此微弱的環(huán)境下仍能夠進(jìn)行光合作用呢？綠硫細(xì)菌的光合作用系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和其他細(xì)菌又有哪些差別呢？
令人感到遺憾的是，盡管綠硫細(xì)菌已被發(fā)現(xiàn)數(shù)十年了，科學(xué)家們對它內(nèi)部的光合作用系統(tǒng)的詳細(xì)構(gòu)造仍然了解甚少。這也使得它成為七大門類光合細(xì)菌中唯一一類反應(yīng)中心空間結(jié)構(gòu)沒有被解析的光合細(xì)菌。
反應(yīng)中心 內(nèi)有乾坤
為何之前的科學(xué)家始終沒有看清綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心原子結(jié)構(gòu)層面的“乾坤奧秘”呢？首要原因在于綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心的樣品制備極其困難。這是因為綠硫細(xì)菌作為一種厭氧菌對周圍環(huán)境要求非?？量蹋磻?yīng)中心復(fù)合體在有氧條件下極不穩(wěn)定，低濃度的氧氣就容易導(dǎo)致其變性。另一個原因是早期對于生物大分子結(jié)構(gòu)的解析主要借助X射線晶體學(xué)，這種方法需要較多的樣品且對樣品的純度和均一度都有很高的要求。雙重因素下解析綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)變得困難重重。
浙大科研團(tuán)隊通過冷凍電鏡技術(shù)，很好地解決了這一難題。他們優(yōu)化了樣品制備的各環(huán)節(jié)，獲得了足夠的蛋白樣品，收集了近萬張樣品顆粒的電子顯微鏡成像圖片，最終在世界上首次解析了綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)，分辨率高達(dá)2.7埃，在該分辨率下，古老綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心的廬山真面目被首次揭開。
圖1 綠硫細(xì)菌光合作用系統(tǒng)及內(nèi)周捕光天線-反應(yīng)中心復(fù)合體結(jié)構(gòu)模型
科研團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，綠硫細(xì)菌的光合作用首先是通過一個巨大的外周捕光天線捕獲光能分子，再通過一些內(nèi)周捕光天線向位于細(xì)胞膜的反應(yīng)中心傳遞，這些收集和不斷向內(nèi)傳遞的能量能夠激發(fā)反應(yīng)中心內(nèi)部的兩個特殊的葉綠素分子，促進(jìn)其產(chǎn)生電荷的分離。在這個過程中，光能就會轉(zhuǎn)變成了電能（電子），之后，這些電子會通過下游的一系列載體繼續(xù)傳遞并最終傳遞給一個末端的電子受體，產(chǎn)生還原力，將二氧化碳等無機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物。
“之前科學(xué)家們推測綠硫細(xì)菌的反應(yīng)中心是類似于綠色植物中的光系統(tǒng)I的。但我們從結(jié)構(gòu)上‘看到’雖然它與光系統(tǒng)I有相似的地方，比如它們的蛋白結(jié)構(gòu)比較像，但也有明顯區(qū)別，綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心的色素數(shù)量比光系統(tǒng)I的要明顯減少，而且色素的空間排布也不一樣?！睆埮d介紹說，有意思的是，他們發(fā)現(xiàn)綠硫細(xì)菌的反應(yīng)中心色素排列跟光系統(tǒng)II非常相似?！斑@兼具兩種光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點的‘混沌狀態(tài)’暗示綠硫細(xì)菌的反應(yīng)中心可能代表了進(jìn)化早期的光合生物反應(yīng)中心的古老特征?！?/p>
圖2 綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心與其他光合反應(yīng)中心的色素排列比較(垂直于細(xì)胞膜平面視角)
從細(xì)胞膜平面的角度看，綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心的色素分子分為上下兩層，兩層葉綠素之間有一條“過道”。張興說，在目前已經(jīng)解析的反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)中，“過道”里有一種作為橋梁的分子，可以把上層的能量傳到下層，但是綠硫菌沒有這個橋梁分子，上層與下層的能量就像“隔空拋物”一樣傳遞。
圖3 綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心與其他光合反應(yīng)中心的色素排列比較(平行于細(xì)胞膜平面視角)
“這也進(jìn)一步驗證了綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心，能量的傳遞效率比其他光合細(xì)菌的反應(yīng)中心低很多。”陳景華介紹，效率低的另一個原因是，他們從結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，綠硫細(xì)菌的內(nèi)周捕光天線與反應(yīng)中心的色素分子之間間隔距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致能量傳遞困難。
解析結(jié)構(gòu) 認(rèn)祖歸宗
根據(jù)生物進(jìn)化優(yōu)勝劣汰的原理反推，越是進(jìn)化完善的，越是“后生”的，越是不完善的，越是古老的?！暗厍蛏纤鞋F(xiàn)存的光合作用反應(yīng)中心都起源于相同的‘祖先’（一類原始的反應(yīng)中心蛋白），并由該蛋白不斷進(jìn)化而形成現(xiàn)有的各種各樣的反應(yīng)中心?！睆埮d說，在高等植物中存在兩種不同的光反應(yīng)系統(tǒng)(光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)II)，且各自是由不一樣的中心蛋白構(gòu)成，科學(xué)界的普遍共識是，地球上最早的反應(yīng)中心是由兩個相同的蛋白構(gòu)成的同源二聚體，在進(jìn)化的過程中兩個中心蛋白慢慢發(fā)生變化，從兩個一樣的蛋白變成了兩個不一樣的異源二聚體蛋白，“而此次解析到的綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心正是這樣由兩個相同的蛋白構(gòu)成的同源二聚體?！?/p>
張興課題組的研究證明，綠硫細(xì)菌反應(yīng)中心是目前唯一發(fā)現(xiàn)具有兩類反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)特征的分子，填補(bǔ)了人類對光反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)認(rèn)知的空白。論文評審專家表示：“這項研究對于揭示30億年前地球原始光合生物如何進(jìn)行光合作用具有重要的啟示，對于理解光合作用反應(yīng)中心的進(jìn)化極其重要?！?/p>
了解了反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)特征之后，課題組下一步研究將努力獲取更多的支撐數(shù)據(jù)。未來有望通過人工模擬光合作用機(jī)制、仿生設(shè)計光敏器件；改造植物光反應(yīng)系統(tǒng)、提高太陽能利用率，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量，緩解日益突出的糧食和能源問題。
（文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶 科研圖片由團(tuán)隊提供）
