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浙大学者:30亿年前光合作用的秘密
2021-01-08 浙江日报

  近日,浙江大学医学院、良渚实验室与中国科学院植物研究所合作,通过冷冻电镜技术,在全球率先解析了一种古老的光合细菌——绿硫细菌的光合反应中心空间结构。11月20日,该研究成果刊登在国际顶级杂志《科学》上。

  光合作用是地球上最重要的化学反应之一,光合作用反应中心则是该过程中实现光能—电能转化的核心结构。今天的高等植物拥有两种不同的光合作用反应中心,且各自是由不一样的中心蛋白构成。但地球上最早的光合作用反应中心构成其实是两个相同的蛋白,经过长期演化才逐渐形成如今的状态。绿硫细菌的光合作用反应中心的特别之处,正在于其兼具演化前后两种光系统的结构特点。

  “光合作用反应中心在地球几十亿年的历史中只进化过一次,现在地球上的所有光合作用反应中心蛋白都是从同一个祖先进化而来。因此,此次发现在光合作用反应中心研究上具有‘追本溯源’的意义,补上了其进化史研究中的重要一环。”浙江大学冷冻电镜中心、良渚实验室教授张兴说。

  论文评审专家表示:“这项研究对于揭示30亿年前地球原始光合生物如何进行光合作用具有重要的启示,对于理解光合作用反应中心的进化极其重要。”

  对不同光合生物的光合作用机制研究,将有望推动现代农业的发展。“当前大田农作物对于太阳能的利用率低于2%,远低于其理论值6%至8%。未来,在该项研究的基础上,大家可以借鉴不同生物的光合作用机理,进而改造植物光的反应系统,提高太阳能利用率,从而提升农作物产量。”浙江大学冷冻电镜中心博士后陈景华说。此外,该项研究还有望在仿生设计光敏器件制造以及医学治疗上发挥重要作用。

  据专家先容,绿硫细菌已被发现数十年,但绿硫细菌的光合作用反应中心复合体在有氧条件下极不稳定,样品分离制备十分困难;同时,早期的结构解析手段主要为X射线晶体学,对样品的纯度和均一度都有很高要求。因而,此前科学家对其光合作用反应中心的详细构造了解甚少。浙大科研团队优化了样品制备的各环节,获得了足够的蛋白样品;运用冷冻电镜技术,收集了近万张样品颗粒的电子显微镜成像图片,最终成功解析了绿硫细菌光合作用反应中心的结构,分辨率高达2.7埃。在该分辨率下,古老绿硫细菌光合作用反应中心的庐山真面目才被首次揭开。

  《浙江日报》2020年11月26日

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