Cell：在原子水平上发现了光合作用的秘密

在原子水平上发现了光合作用的秘密，为了解这种在10亿多年前使地球变绿的植物的超级力量提供了重要的新视角。

约翰英纳斯中心的研究人员使用了一种称为冷冻电镜的先进显微镜方法来探索光合作用蛋白是如何产生的。

这项发表在《细胞》杂志上的研究提供了一个模型和资源，刺激该领域进一步的基础发现，并有助于开发更有弹性的作物的长期目标。

该论文的合著者、研究组组长Michael Webster博士说:“叶绿体基因的转录是制造光合作用蛋白的基本步骤，光合作用蛋白为植物提供生长所需的能量。我们希望通过更好地了解这一过程(在详细的分子水平上)，我们将帮助研究人员开发出具有更强大光合作用的植物。”

“这项工作最重要的成果是创造了一种有用的资源。研究人员可以下载我们的叶绿体聚合酶的原子模型，并用它来提出他们自己的假设，即它可能如何运作，以及测试它们的实验策略。”

光合作用发生在叶绿体内，叶绿体是植物细胞内的小隔间，含有它们自己的基因组，反映了它们在被植物吞噬和吸收之前作为自由生活的光合细菌的过去。

研究小组研究了植物如何制造光合蛋白，这种分子机器使这种优雅的化学反应发生，将大气中的二氧化碳和水转化为单糖，并产生氧气作为副产品。

蛋白质生产的第一个阶段是转录，在这个阶段，基因被读取以产生“信使RNA”。这个转录过程是由一种叫做RNA聚合酶的酶完成的。

人们在50年前就发现叶绿体含有自己独特的RNA聚合酶。从那时起，科学家们就对这种酶的复杂程度感到惊讶。它比它的祖先细菌RNA聚合酶有更多的亚基，甚至比人类RNA聚合酶更大。

研究小组想要了解为什么叶绿体有如此复杂的RNA聚合酶。为了做到这一点，他们需要可视化叶绿体RNA聚合酶的结构结构。

研究小组采用了cryo-EM的方法来对从白芥菜植物中纯化的叶绿体RNA聚合酶样本进行成像。

通过处理这些图像，他们能够建立一个包含分子复合体中超过50,000个原子位置的模型。

RNA聚合酶复合体包括21个亚基，分别编码于细胞核和叶绿体两个基因组中。对这种结构进行转录时的仔细分析使研究人员能够开始解释这些成分的功能。

该模型使他们能够识别出一种蛋白质，这种蛋白质在DNA转录过程中与DNA相互作用，并将其引导到酶的活性位点。

另一种成分可以与正在产生的mRNA相互作用，这可能会保护它在被翻译成蛋白质之前免受蛋白质的降解。

Webster博士说:“我们知道叶绿体RNA聚合酶的每一种成分都起着至关重要的作用，因为缺乏其中任何一种成分的植物都无法制造光合作用蛋白，因此也就无法变绿。我们正在仔细研究原子模型，以确定21个组件中的每个组件的作用。”

第一作者ángel Vergara-Cruces博士说:“现在我们有了一个结构模型，下一步就是确认叶绿体转录蛋白的作用。通过揭示叶绿体转录的机制，我们的研究提供了对其在植物生长和对环境条件的适应和响应中的作用的深入了解。”

另外一位第一作者Ishika Pramanick博士说:“在这个非凡的工作旅程中有许多令人惊讶的时刻，从非常具有挑战性的蛋白质纯化到拍摄这种巨大复杂蛋白质的惊人冷冻电子显微镜图像，最后看到我们的工作打印出来。”

Webster博士总结道:“高温、干旱和盐度限制了植物进行光合作用的能力。在环境胁迫下能够可靠地产生光合蛋白的植物可能对叶绿体转录有不同的控制。我们期待着看到我们的研究成果用于开发更健壮的作物的重要努力。”