2021年9月17日，北京大學趙進東院士課題組與高寧教授課題組在Nature Communications上發(fā)表了題為“Structural Insight into the Mechanism of Energy  Transfer in Cyanobacterial Phycobilisomes” 的研究論文。論文利用冷凍電鏡技術(shù)首次解析了兩種藍細菌藻膽體（Phycobilisomes, PBS）的高分辨結(jié)構(gòu)，并結(jié)合生化試驗，首次證明了PBS亞基上的芳香族氨基酸直接參與光能傳遞（excitation energy transfer，EET）。

  光合作用是地球上最重要的反應之一，將光能轉(zhuǎn)化為化學能。光合作用的起始是光能的吸收和傳遞，這個過程通常是由光合生物的捕光天線復合體來完成的。藻膽體就是一類存在于藍細菌和紅藻中的捕光天線復合體。它吸收并傳遞光能給光反應中心，然后啟動電子傳遞鏈，并產(chǎn)生后續(xù)的化學反應。雖然藍細菌藻膽體上世紀70年代就已被體外純化，但是半個多世紀以來仍沒有獲得其高分辨結(jié)構(gòu)，這與藻膽體在體外只能存在于常溫高鹽環(huán)境有關(guān)。本研究解決了藍細菌藻膽體冷凍制樣的難題，通過冷凍電鏡成功解析了兩種藍細菌藻膽體的高分辨率結(jié)構(gòu)。這兩種藻膽體都屬于半碟形，一種是三核六桿（聚球藻，Synechococcus sp. PCC 7002），常見于單細胞藍細菌（圖1a-d）；另一種是五核八桿（魚腥藻，Anabaena sp. PCC 7120），常見于絲狀體藍細菌（圖1e-h）。

  圖1 兩種藍細菌藻膽體復合物示意圖

  藻膽體吸收的能量經(jīng)過色素團（bilin）的傳遞最終會聚集在ApcE和ApcD上，ApcE和ApcD分別是EET到光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I的終端發(fā)射器。高分辨的結(jié)構(gòu)提供了藻膽體上色素團的精確分布。藻膽體的色素團之間的距離一般都在30 ?左右。實際上，光能在藻膽體的內(nèi)部的傳遞是非常迅速的，這表明在藻膽體內(nèi)部還存在別的介質(zhì)傳遞光能。藻膽體蛋白富含豐富的芳香族氨基酸，而芳香族氨基酸的苯環(huán)可以和色素上的四吡咯環(huán)形成π-π相互作用，所以領域內(nèi)猜測芳香族氨基酸在能量傳遞中存在非常重要的作用。為了驗證這些假設，本研究針對藻膽體能量傳遞的終端亞基ApcF和ApcD，系統(tǒng)性的設計了芳香族氨基酸點突變實驗，并首次利用實驗證據(jù)證明了藻膽體蛋白的芳香族氨基酸對光能傳遞的重要作用（圖2a-j）。

  圖2 藍細菌藻膽體能量傳遞過程中的關(guān)鍵氨基酸

  更為重要的是，在藍細菌內(nèi)部，藻膽體會在類囊體膜上有序排列形成巨大的PBS 陣列。通過把本研究中獲得的PBS結(jié)構(gòu)擬合到低分辨率的PBS陣列結(jié)構(gòu)中(Rast et al., 2019)，作者們發(fā)現(xiàn)相鄰藻膽體之間的色素團距離很近，暗示藻膽體之間可能會存在著光能的傳遞。這些分析表明細胞內(nèi)藻膽體在類囊體膜上可以形成一個復雜且高度相互交織的能量傳遞網(wǎng)絡（圖3a-d）。

  圖3 藍細菌藻膽體類囊體膜上的分布及光能傳遞

  綜上所述，本研究首次解析了藍細菌中兩種具有廣泛代表性的藻膽體的高分辨結(jié)構(gòu)，首次證明了芳香族氨基酸以及連接蛋白在EET中的作用。這些數(shù)據(jù)為理解光合作用的能量傳遞提供了關(guān)鍵信息，也為未來人工合成捕光天線復合體提供了潛在的線索。

  北京大學生命科學學院趙進東院士和高寧教授為本文的共同通訊作者。高寧組博士生鄭呂欽和趙進東組博士后鄭正高、李西瑩為本文的共同第一作者。在疫情期間，冷凍電鏡平臺的王國鵬博士為本課題提供了重要的數(shù)據(jù)收集和計算支持。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、生命聯(lián)合中心、膜生物學國家重點實驗室、蛋白質(zhì)和植物基因工程國家重點實驗室和北京大學生命科學學院啟東產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金的經(jīng)費支持，以及冷凍電鏡平臺、北京大學電鏡實驗室、高性能計算中心、生科院儀器中心及鳳凰工程的技術(shù)支持。