细菌光合膜的生物合成和结构的新见解

蓝藻类囊体膜图解
作者:刘鲁宁等。

利物浦大学(University of Liverpool)的研究人员进行的一项新研究揭示了古代光合作用生物——蓝藻细菌——是如何进化它们的光合作用机制,并组织它们的光合膜结构,以有效捕捉太阳能和能量传导。

由植物、藻类和蓝藻进行的含氧光合作用为地球上的生命提供能量和氧气,可以说是最重要的生物过程。蓝藻是最早能进行含氧光合作用的光养菌之一,对地球大气和初级生产有重要贡献。

依赖光的光合反应是由一组光合复合物和分子在专门的细胞膜,称为类囊体膜。虽然一些研究报告了光合复合物的结构和它们如何进行光合作用,但研究人员仍然很少了解原生类囊体膜是如何构建的,并进一步发展成为蓝藻细胞中的功能实体。

该研究小组由北京大学系统、分子和综合生物学研究所的刘鲁宁教授领导,开发了一种方法来控制细胞生长过程中类囊体膜的形成,并使用最先进的蛋白质组学和显微镜成像来表征类囊体膜的逐步成熟过程。他们的研究结果发表在杂志上自然通讯

“我们对这些发现感到非常激动,”刘教授说。“我们的研究描绘了光养生物如何产生并发展它们的光合膜,以及如何将不同的光合成分合并并位于类囊体膜中以进行有效的光合作用——这是该领域一个长期存在的问题。”

该研究的第一作者Tuomas Huokko博士说:“我们发现新合成的类囊体膜出现在外周细胞膜(被称为质膜)和原有的类囊体层之间。通过检测类囊体发育过程中的蛋白质组成和光合活动,我们还发现光合蛋白质在空间和时间上受到很好的控制,以进化和组装成类囊体膜。”

新的研究表明,蓝藻类囊体膜是一个真正的动态生物系统,在细菌生长过程中能够快速适应环境变化。在类囊体中,光合蛋白质可以从一个位置扩散到另一个位置,并形成功能“蛋白质岛”,共同进行高光合效率的工作。

“由于蓝藻进行植物般的光合作用,从蓝藻类囊体膜获得的知识可以推广到植物类囊体,”刘教授补充说。“了解自然光合作用机制是如何在光养生物中进化和调节的,这对于调节和增强光合作用是至关重要的。在气候变化和人口增长的背景下,这为可持续地提高作物植物的光合作用和产量提供了解决方案。我们的研究也可能有利于生物灵感的设计和人工光合设备的生产,以有效的电子转移和生物能源生产。”

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这项研究是与牛津大学蛋白质组研究中心、细胞成像中心、生物医学电子显微镜单位以及牛津大学、伦敦玛丽女王大学和伦敦帝国理工学院的研究人员合作进行的。该研究由BBSRC、英国皇家学会、维康信托基金和Leverhulme信托基金资助。

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尼古拉霜
利物浦大学

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