作者:王晨绯 来源:中国科学报 发布时间:2015/8/24 11:06:19
选择字号:
破解光合作用神秘机制:中国跨出重要一步

PsbS整体结构。a. PsbS单体结构飘带示意图;b. PsbS二体结构示意图;c. PsbS二体界面处结合的叶绿素a;d. PsbS二体结合的qE抑制剂DCCD。生物物理所供图

■本报记者 王晨绯

植物的光合作用,是地球上最为有效的固定太阳光能的过程,人类所大量消耗的石油、天然气等,其实都是远古时期植物光合作用的直接和间接产物。

地球每年经光合作用产生的物质有1730亿~2200亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10倍~20倍,但目前的利用率不到3%。光合作用是高效利用太阳能的最好榜样,破解光合作用神秘机制,将为建立“人工光合作用系统”,继而开发清洁、高效的新能源提供结构基础。

由中科院生物物理所研究员、中科院院士常文瑞带领的团队经过几年时间,完成了菠菜主要捕光复合物的晶体结构测定,在光合膜蛋白研究领域取得系列重大成果。

2004年3月18日,《自然》杂志发表这一成果,封面上的“POWER PLANT”大字赫然,在国内外相关学术界引起强烈反响。

近日,常文瑞院士课题组又取得了一项新突破——解析了菠菜光保护蛋白PsbS活性状态的2.35埃分辨率的晶体结构,博士生范敏锐是这项重要研究工作的具体承担者。

两年时间纯化出蛋白

常文瑞院士课题组于四年前开展了PsbS的晶体结构研究。

“我就是那时进入课题组的,首先要摸索纯化方案。”范敏锐在常文瑞院士和副研究员李梅的指导下,花了两年时间将蛋白从菠菜叶中纯化出来。

要获得某种蛋白,常规的方法一般都是用外源表达体系来获得,相对来讲要容易一些,而常文瑞课题组则另辟蹊径,选择从菠菜叶中直接提取天然蛋白。

“每纯化一次需要15斤菠菜,才能得到10毫克蛋白。”范敏锐笑言自己会像洗菜工一样,每次都要买来15斤菠菜,先去掉坏叶子,用自来水洗三遍,再用单蒸水洗两遍,在滤纸上吸走水分,才能榨汁离心提取到粗的样品。

经过大量的摸索,他们建立了一个从菠菜叶片中大量纯化PsbS的方案,并在纯化和结晶的过程中一直维持酸性pH 值条件。

蛋白纯化出来后,范敏锐发现蛋白是绿色的。据此他们推断它应该结合了叶绿素,“这意味着它可能吸收光能并将其转化成热能,释放出去。”当然,这仅仅是范敏锐的初步推断。从纯化出蛋白到最后解析了该蛋白的结构,又花了他们一年半时间。

揭示光保护机制奥秘

“植物与太阳光的关系可谓‘爱恨交加’,一方面光能对于植物进行光合作用是必需的,但另一方面过量的光能又会导致植物光合作用装置的氧化性损伤,于是植物逐渐进化出了一种保护机制。”范敏锐向记者解释说。

参与这种保护机制的就是光保护蛋白PsbS,早在2000年,美国一个研究小组就证明了光保护蛋白PsbS的关键作用——在高光照条件下,植物类囊体腔侧的pH值会由正常条件下的6.5降低至5.5~5.8,从而激活嵌在类囊体膜上的光保护蛋白PsbS,并进而诱发一种非常有效的高光保护机制——能量依赖的淬灭(qE)。通过qE,植物可以把捕光复合物吸收的过量光能以热的形式安全地耗散掉,从而减少或避免光氧化性损伤。但是对于PsbS是否结合色素一直存有争议,其参与光保护作用的机制也并不清楚,解析其三维结构成为光合作用领域期待已久的研究课题。

而他们的研究价值正在于此。

科学家用纯化的蛋白生长了晶体,并将晶体带到上海以及日本的同步辐射光源进行X射线衍射实验,最终解析了PsbS活性状态的2.35埃分辨率的晶体结构。

“结构显示PsbS由四段跨膜螺旋组成,其结构紧密,单体内部没有色素结合位点,展现出与我们之前解析的同家族其他捕光复合物LHCII和CP29完全不同的结构特点。”范敏锐细致地观察着这个让他花了三年多才得到的宝贝。

而后一年的时间,他们结合晶体结构分析和一系列的生化实验,证明了PsbS在低pH值下是一个紧密的二体,从而纠正了之前该领域的主流观点,即PsbS在活性状态下为单体。

有趣的是,他们还发现低pH值下的PsbS二体界面处结合了一个叶绿素a,提示PsbS有可能在体内直接参与qE。这些研究结果为理解PsbS是如何被激活和抑制以及其参与qE的可能机制奠定了重要基础。

该项研究成果已被国际著名期刊Nature Structural & Molecular Biology接收并在线发表。范敏锐为第一作者,常文瑞院士和副研究员李梅为通讯作者,研究员柳振峰也对本项研究作出重要贡献。审稿专家称本工作“非常令人兴奋,并且带来很多惊喜,为研究PsbS的功能提供了新的视角”,“跨出了重要的一步”,“是优秀的、领域内长时间期待的并且迫切需要的一项研究工作”。

“粮食作物经过光合作用生长,提高光合效率,产量就能提高。根据以往的研究,提高农作物的光保护能力,有望帮助提高粮食产量前景。”范敏锐认为此时他所做的基础研究对以后应用有一定意义。

《中国科学报》 (2015-08-24 第6版 进展)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

2015/8/24 23:45:50 txy8469393
引用:“要获得某种蛋白,常规的方法一般都是用外源表达体系来获得,相对来讲要容易一些,而常文瑞课题组则另辟蹊径,选择从菠菜叶中直接提取天然蛋白。”
这个应该不算另辟蹊径吧,最早的蛋白研究都是从天然宿主提取的,只是相比于异源表达,从天然宿主提取难度更大,但是蛋白折叠肯定没有问题。
2015/8/24 19:06:03 jerryzhao7
中国在生物物理方面尤其是蛋白结构解析方面这么领先的原因是什么呢?设备?人才?
2015/8/24 16:58:59 ep4h
强光保护不一定是为了防损伤。强光下,如果产率太高,植物的物质输运速率不一定能赶上合成速率。如果是这样的话,提高保护能力不一定能提高产量,因为输运问题没有解决。
2015/8/24 15:45:44 scking
范敏锐!很敏锐!
2015/8/24 15:37:39 chnweiwang
要获得某种蛋白,常规的方法一般都是用外源表达体系来获得,相对来讲要容易一些,而常文瑞课题组则另辟蹊径,选择从菠菜叶中直接提取天然蛋白。
目前已有6条评论
相关新闻 相关论文

图片新闻
子午工程二期标志性设备启动建设 NASA公布土星最大卫星泰坦地质图
窥探海洋微生物的世界 中山大学超构表面图像显示研究获重要进展
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐