來自昆士蘭大學(xué)(UQ)和明斯特大學(xué)(WWU)的研究人員對(duì)“循環(huán)電子流”(CEF)超復(fù)合物進(jìn)行了純化和可視化，這是所有植物中光合機(jī)械的關(guān)鍵部分，這一發(fā)現(xiàn)可以幫助指導(dǎo)下一代太陽能生物技術(shù)的發(fā)展。

這項(xiàng)研究結(jié)果是與巴塞爾，岡山和新南威爾士大學(xué)的國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作完成的，已發(fā)表在“美國國家科學(xué)院院刊”上，并在分子水平上提供了對(duì)光合作用過程的新見解。

“到2050年，我們將需要多50%的燃料，70%的食物和50%的清潔水?；诠夂衔⒃宓募夹g(shù)有可能在滿足這些需求方面發(fā)揮重要作用，”Ben Hankamer教授說?？偛课挥诶ナ刻m大學(xué)分子生物科學(xué)研究所，負(fù)責(zé)太陽能生物技術(shù)中心。通過更好地了解這些生物如何在分子水平捕獲和儲(chǔ)存太陽能，將推進(jìn)基于太陽能微藻的生物技術(shù)。

超過30億年，植物，藻類和藍(lán)綠色細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出精細(xì)的納米機(jī)械，使它們能夠進(jìn)行光合作用，其中太陽能以化學(xué)能的形式被捕獲和儲(chǔ)存。

這種化學(xué)能以ATP和NADPH分子的形式存在，這對(duì)大量細(xì)胞過程至關(guān)重要。

“ATP和NADPH使光合生物生長，隨著它們的生長，它們產(chǎn)生大氣中的氧氣以及支持地球生命的食物和燃料，”WWU的植物生物學(xué)和生物技術(shù)研究所的Hippler教授說。

光合作用以兩種模式運(yùn)行：線性電子流(LEF)和循環(huán)電子流(CEF)。為了在不斷變化的光照條件下有效工作，光合生物必須平衡它吸收的光和它所需的能量，ATP和NADPH。它通過不斷微調(diào)這兩種模式相對(duì)于彼此的水平來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

“有報(bào)道稱，一種稱為循環(huán)電子流(CEF)超復(fù)合物的大型大分子組裝在這種微調(diào)過程中起著關(guān)鍵作用。但是，由于其動(dòng)態(tài)性質(zhì)，很難將這種超復(fù)合物用于結(jié)構(gòu)測(cè)定，”漢卡默教授說。

為了解決這個(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)使用復(fù)雜的方法從微藻中純??化和表征CEF超復(fù)合物，然后使用電子顯微鏡分析其結(jié)構(gòu)。

研究人員精心設(shè)計(jì)了從微藻中提取的大約50萬個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合物，以尋找超復(fù)合物。結(jié)果只有大約一千個(gè)是CEF超復(fù)雜的。

結(jié)構(gòu)分析揭示了光捕獲復(fù)合物，光系統(tǒng)I和細(xì)胞色素b6f組件如何組裝成CEF超復(fù)合物，以及它們的排列如何使它們動(dòng)態(tài)連接和斷開以執(zhí)行不同的功能，使生物體能夠適應(yīng)不同的光照條件和能量需求。

這些信息加上其他實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使研究人員能夠提出一個(gè)關(guān)于CEF超復(fù)合物如何工作的新假設(shè)。

“CEF超復(fù)合物是進(jìn)化上高度保守的結(jié)構(gòu)的一個(gè)很好的例子，”Hippler教授解釋說，它似乎在許多植物和藻類中都是保守的，并且在數(shù)百萬年中可能沒有顯著改變。

“這項(xiàng)工作對(duì)于太陽能生物技術(shù)中心開發(fā)下一代太陽能生物技術(shù)和工業(yè)的努力至關(guān)重要，”Hankamer教授解釋說。

該中心已擴(kuò)展到包括遍布?xì)W洲，亞洲，美國，澳大利亞和新西蘭的30個(gè)國際團(tuán)隊(duì)，并致力于開發(fā)基于光合作用綠藻的下一代太陽能驅(qū)動(dòng)生物技術(shù)。

Hankamer教授表示，該團(tuán)隊(duì)旨在優(yōu)化綠藻的光合機(jī)械，以生產(chǎn)有助于滿足世界不斷增長的能源，食物和水需求的技術(shù)。有關(guān)該中心計(jì)劃的摘要，請(qǐng)?jiān)L問https://imb.uq.edu.au/solar#qt-qt_centre_solar-foundation-tabs-1。

“為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，我們需要了解光合作用過程在分子水平上的作用，”他說。

這一新信息將有助于指導(dǎo)基于微藻和各種太陽能驅(qū)動(dòng)的生物技術(shù)和工業(yè)的下一代太陽能捕獲技術(shù)的設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)高價(jià)值的產(chǎn)品，食品，燃料和清潔水。隨著國際社會(huì)制定應(yīng)對(duì)氣候變化的解決方案，從大氣中提取二氧化碳及其利用和儲(chǔ)存也是令人興奮的領(lǐng)域。