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(yáng)能轉(zhuǎn)換過(guò)程。光合生物通過(guò)把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，固定二氧化碳為有機(jī)物，同時(shí)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(yáng)能固定“機(jī)器”，平均每年通過(guò)光合生物的光合作用所同化的太陽(yáng)能約為人類所需能量的10倍。光合作用不僅驅(qū)動(dòng)著我們地球的環(huán)境變化、推動(dòng)著高級(jí)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(lái)提高太陽(yáng)能利用效率？科學(xué)家們一直在積極對(duì)光合作用機(jī)理開(kāi)展廣泛的研究，尋找這些問(wèn)題的答案可以幫助我們解決糧食、能源和環(huán)境問(wèn)題。

近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院、良渚實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)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(duì)古老光合生物的光合作用機(jī)理的認(rèn)知，對(duì)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(shí)間2020年11月20日，刊登在國(guó)際頂級(jí)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(shí)驗(yàn)室張興教授和中國(guó)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(wèn)底

反應(yīng)中心是光合作用過(guò)程中實(shí)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(diǎn)，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(gè)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(yáng)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(duì)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(guò)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(guò)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(gè)祖先蛋白進(jìn)化而來(lái)。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(yáng)能，同時(shí)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(duì)象成為了首要問(wèn)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(zhǎng)的生物進(jìn)化和多次對(duì)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(gè)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(yáng)光已無(wú)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(duì)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(mén)類光合細(xì)菌中唯一一類反應(yīng)中心空間結(jié)構(gòu)沒(méi)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(méi)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?yàn)榫G硫細(xì)菌作為一種厭氧菌對(duì)周圍環(huán)境要求非常苛刻，反應(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(gè)原因是早期對(duì)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(duì)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(duì)通過(guò)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(wàn)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(kāi)。

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(duì)發(fā)現(xiàn)，綠硫細(xì)菌的光合作用首先是通過(guò)一個(gè)巨大的外周捕光天線捕獲光能分子，再通過(guò)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(gè)特殊的葉綠素分子，促進(jìn)其產(chǎn)生電荷的分離。在這個(gè)過(guò)程中，光能就會(huì)轉(zhuǎn)變成了電能（電子），之后，這些電子會(huì)通過(guò)下游的一系列載體繼續(xù)傳遞并最終傳遞給一個(gè)末端的電子受體，產(chǎn)生還原力，將二氧化碳等無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物。

“之前科學(xué)家們推測(cè)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?cái)?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(shuō)，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(diǎn)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(guò)道”。張興說(shuō)，在目前已經(jīng)解析的反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)中，“過(guò)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(méi)有這個(gè)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(yàn)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?！标惥叭A介紹，效率低的另一個(gè)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(shuō)，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(shí)是，地球上最早的反應(yīng)中心是由兩個(gè)相同的蛋白構(gòu)成的同源二聚體，在進(jìn)化的過(guò)程中兩個(gè)中心蛋白慢慢發(fā)生變化，從兩個(gè)一樣的蛋白變成了兩個(gè)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(gè)相同的蛋白構(gòu)成的同源二聚體。”

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(duì)光反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)認(rèn)知的空白。論文評(píng)審專家表示：“這項(xiàng)研究對(duì)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(duì)于理解光合作用反應(yīng)中心的進(jìn)化極其重要。”

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(lái)有望通過(guò)人工模擬光合作用機(jī)制、仿生設(shè)計(jì)光敏器件；改造植物光反應(yīng)系統(tǒng)、提高太陽(yáng)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(wèn)題。

（文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶 科研圖片由團(tuán)隊(duì)提供）