12 月 14 日，濟(jì)南大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院秦曉春課題組與清華大學(xué)、南方科技大學(xué)隋森芳院士課題組合作在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上以長(zhǎng)文形式發(fā)表題為 Structure of the Acidobacteria homodimeric reaction center bound with cytochrome c 的研究論文。該研究報(bào)道了一種酸桿菌門(mén)光合細(xì)菌同質(zhì)二聚體類(lèi)型的光合反應(yīng)中心（CabRC）復(fù)合體高分辨率冷凍電鏡三維空間結(jié)構(gòu)。目前光合細(xì)菌可劃分為七個(gè)門(mén)：藍(lán)細(xì)菌門(mén)、變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、綠菌門(mén)以及酸桿菌門(mén)，除酸桿菌門(mén)外，其余六大門(mén)類(lèi)光反應(yīng)中心的三維空間結(jié)構(gòu)均已有報(bào)道。嗜熱光合酸桿菌（ Chloracidobacterium thermophilum，簡(jiǎn)稱(chēng) C. thermophilum）是酸桿菌門(mén)中的典型代表，是微需氧而不產(chǎn)氧的光合細(xì)菌。該成果不僅揭示了 C. thermophilum 進(jìn)行高效光能捕獲、傳遞和轉(zhuǎn)化的超分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而且對(duì)于理解從無(wú)氧光合到有氧光合的進(jìn)化具有重要意義。
該成果在多方面具有創(chuàng)新性：（1）基于電子供體側(cè)結(jié)合兩個(gè)不同的細(xì)胞色素 c 亞基，首次揭示了 I 型同質(zhì) RC 中存在由 Heme 參與的電子傳遞途徑，即：Heme1-Heme2-P840-Acc-A0-FX-FA-FB，而以往僅在 II 型 RC 中觀(guān)察到 Heme 分子作為電子供體存在（I 型、II 型反應(yīng)中心分別以鐵硫簇、醌作為電子終端受體）；（2）從電子受體蛋白與 RC 的結(jié)合方式看，與光系統(tǒng) I（I 型異質(zhì)二聚體 RC）相比，首次發(fā)現(xiàn) I 型同質(zhì)二聚體 RC 的電子受體蛋白幾乎以倒置的方式與 RC 結(jié)合，而同質(zhì)二聚體 RC 被認(rèn)為是 RC 的古老形式，該結(jié)構(gòu)揭示了電子受體在進(jìn)化過(guò)程中與 RC 結(jié)合方式上的變化；（3）從電子傳遞鏈的組成看，P840 由一對(duì)鋅-細(xì)菌葉綠素分子組成，Acc 與 A0均由 Chl a 分子組成，未發(fā)現(xiàn)醌分子參與電子傳遞鏈，而兩個(gè)脂分子與 A0 存在相互作用，揭示了電子傳遞鏈的多樣性與復(fù)雜性；（4）兩個(gè) Ca2+離子對(duì)稱(chēng)的分布在 Heme2 與特殊對(duì) P840之間，與光系統(tǒng) II 中水裂解中心 Mn4CaO5 具有相似的位置和類(lèi)似的蛋白微環(huán)境，該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于理解有氧光合進(jìn)化具有重要意義；（5）核心亞基周?chē)嬖陬?lèi)似PSII的低分子量亞基分布，提示 C.thermophilum 在整個(gè)光合RCs進(jìn)化中的地位十分特殊；（6）基于高分辨率結(jié)構(gòu)及對(duì) Chl a 和 BChl a 密度的精準(zhǔn)研判，首次揭示了一種由二者共存組成的雜合天線(xiàn)系統(tǒng)，并提出了激發(fā)能在天線(xiàn)內(nèi)部可能的能量傳遞路徑。一般認(rèn)為有氧光合生物使用葉綠素類(lèi)作為捕光色素捕獲可見(jiàn)光，無(wú)氧光合生物使用細(xì)菌葉綠素類(lèi)作為捕光色素捕獲紅外光，而 CabRC 的捕光天線(xiàn)系統(tǒng)不僅結(jié)合 Chla 而且結(jié)合 BChl a，這導(dǎo)致它既可以吸收可見(jiàn)光又可以吸收紅外光，因此該結(jié)構(gòu)為拓展太陽(yáng)能吸收光譜、提高光能利用率提供了珍貴的自然范本。
該研究成果將推動(dòng)光合作用機(jī)理研究進(jìn)展，也將為人工模擬光合作用、提高作物光能利用率提供新思路、新方法與新途徑。
該項(xiàng)研究由濟(jì)南大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院秦曉春課題組與清華大學(xué)、南方科技大學(xué)隋森芳課題組合作完成，濟(jì)南大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院為第一完成單位。秦曉春教授和隋森芳院士為論文的共同通訊作者，濟(jì)南大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院青年教師董士尚、隋森芳院士課題組在讀博士研究生黃國(guó)強(qiáng)和秦曉春課題組 2021 屆畢業(yè)碩士研究生王昌輝為論文共同第一作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和泰山學(xué)者計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
撰稿：閆峰 編輯：趙華磊 編審：賈海寧
