东方时讯网密歇根州立大学(MSU)，加州大学伯克利分校，南波希米亚大学和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员帮助揭示了迄今为止最重要的生物“触角”的最详细图片。
大自然已经进化出这些结构，通过光合作用来利用太阳的能量，但这些阳光接收器不属于植物。它们存在于被称为蓝藻的微生物中，蓝藻是地球上第一批能够吸收阳光，水和二氧化碳并将其转化为糖和氧气的生物的进化后代。
本周发表在《自然》杂志上，这些发现立即为微生物光合作用提供了新的线索 - 特别是光能如何被捕获并发送到需要它的地方来为CO的转化提供动力。2变成糖。展望未来，这些见解还可以帮助研究人员修复有害的藻华，开发用于可再生能源的人工光合作用系统，并在可持续制造中招募微生物，从一氧化碳的原材料开始。2和阳光。
“使用蓝藻作为太阳能工厂有很多兴趣，这些工厂捕获阳光并将其转化为一种可用于制造重要产品的能量，”MSU-DOE植物研究实验室的成员Cheryl Kerfeld说，该实验室得到了能源部的支持。“有了我们在这项研究中提供的蓝图，你可以开始考虑调整和优化光合作用的光收集成分。
“一旦你看到某些东西是如何工作的，你就会更好地了解如何修改和操纵它。这是一个很大的优势，“Kerfeld实验室的高级研究助理马库斯·萨特(Markus Sutter)说，该实验室在密歇根州立大学和伯克利实验室工作。
插图显示了几个与米色细胞膜结合的藻胆素。藻类动物由三个绿色的核心圆柱体组成，这些圆柱体堆叠成一个三角形，蓝色的圆柱体从这些圆柱体延伸出来。有些与橙色类胡萝卜素蛋白结合。在背景中，绿色单元格漂浮在远处。
研究人员在蓝藻在光合作用中使用的藻胆小体中发现了无与伦比的细节水平。其组成蛋白质和色素结构在本图中显示为蓝色和绿色组件。OCP是偶尔的橙色衣架，有助于将多余的捕获能量作为热量消散。图片来源：珍妮特·岩佐/犹他大学
蓝藻天线结构，称为藻胆素，是色素和蛋白质的复杂集合，它们组装成相对较大的复合物。
几十年来，研究人员一直致力于可视化藻胆素的不同构建块，以了解它们是如何组合在一起的。藻胆素是脆弱的，因此需要这种零敲碎打的方法。从历史上看，研究人员一直无法获得完整天线的高分辨率图像，以了解它们如何捕获和传导光能。
现在，由于国际专家团队和低温电子显微镜(cryo-EM)的进步，蓝藻光收集天线的结构几乎可以达到原子分辨率。
“我们很幸运能成为一个由具有互补专业知识的人组成的团队，他们一起工作得很好，”Kerfeld说，他也是密歇根州立大学的结构生物工程教授。“该小组有正确的化学反应。
“漫长的旅程，充满惊喜”
“这项工作是光合作用领域的突破，”加州大学伯克利分校教授Eva Nogales的冷冻电镜实验室博士后研究员Paul Sauer说。诺加莱斯也是伯克利实验室生物科学领域的高级教师科学家。
“蓝藻天线的完整光收集结构直到现在一直缺失，”绍尔说。“我们的发现帮助我们了解进化如何提出改变一氧化碳的方法。2并光进入细菌中的氧气和糖，早在我们的星球上存在任何植物之前。
与克尔费尔德一起，绍尔是这篇新文章的通讯作者。该团队记录了几项新发现，包括发现一种新的藻胆体蛋白，并观察藻胆体定向其光捕获棒的两种新方法，这些方法以前从未被解决过。
“这是12页的发现，”《自然》杂志报道的玛丽亚·阿古斯蒂娜·多明格斯-马丁说。作为Kerfeld实验室的博士后研究员，多明格斯-马丁在密歇根州立大学发起了这项研究，并在伯克利实验室完成了这项研究。她目前在西班牙科尔多瓦大学担任玛丽·斯克沃夫多斯卡-居里博士后奖学金的一部分。“这是一段漫长的旅程，充满了惊喜。
例如，一个惊喜是，一个相对较小的蛋白质如何充当大天线的电涌保护器。在这项工作之前，研究人员知道藻胆体可以聚集称为橙色类胡萝卜素蛋白或OCP的分子，当藻胆体吸收了太多的阳光时。OCP将多余的能量作为热量释放出来，保护蓝藻的光合系统不被燃烧。
到目前为止，关于藻胆体可以结合多少OCP以及这些结合位点在哪里一直存在争议。这项新研究回答了这些基本问题，并提供了潜在的实用见解。
这种浪涌保护系统——被称为光保护，在植物世界中也有类似的东西——自然往往是浪费的。蓝藻在完成其工作后关闭光保护的速度很慢。Kerfeld说，现在，有了电涌保护器如何工作的完整画面，研究人员可以设计出“智能”，浪费更少的光保护的方法。