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孑遺藍(lán)綠菌中的特殊藻膽蛋白體結(jié)構(gòu)揭露光合作用演化消失的環(huán)節(jié)

更新日期:113年1月3日

圖1:球拍狀藻膽蛋白體結(jié)構(gòu)。圖2:孑遺藍(lán)綠菌中的球拍狀藻膽蛋白體。圖3:作者群於冷凍電子顯微鏡前合照。

球拍狀藻膽蛋白體結(jié)構(gòu)。

孑遺藍(lán)綠菌中的球拍狀藻膽蛋白體。

作者群於冷凍電子顯微鏡前合照。

光合作用是地球上生物賴以生存的能量來(lái)源。光能的吸收是光合作用的第一步,為了獲取更多的光能,不同的光合生物在演化時(shí)發(fā)展出各自獨(dú)特的捕光天線蛋白系統(tǒng)。藻膽蛋白體為存在於藍(lán)綠菌的巨大捕光天線蛋白體 (~5-20 MDa),能捕獲光能並將能量傳遞到光系統(tǒng)二進(jìn)次行光合作用。將近60年的研究歷史顯示藻膽蛋白體,在藍(lán)綠菌中主要有兩種形狀,分別是無(wú)葉綠囊膜藍(lán)綠菌的束狀形及有葉綠囊膜藍(lán)綠菌的扇形,但目前對(duì)於藻膽蛋白體由簡(jiǎn)至繁的演化過(guò)程仍缺乏證據(jù)。在2021年,臺(tái)大生命科學(xué)系副教授何銘洋與康乃爾大學(xué)副教授李飛葦於 Current Biology 共同發(fā)表一株缺少葉綠囊膜的新種藍(lán)綠菌 Anthocerotibacter panamensis 。該藍(lán)綠菌,於14億年前從其他大部分藍(lán)綠菌演化分歧,其藻膽蛋白體座落於細(xì)胞膜上,這藍(lán)綠菌可能保留了演化早期孑遺的特徵。

「我們無(wú)法回到過(guò)去觀察生物的演化過(guò)程,像藍(lán)綠菌這類的微生物也缺乏化石證據(jù),因此保留了演化早期特徵的孑遺藍(lán)綠菌,就像是藍(lán)綠菌中的腔棘魚(yú),對(duì)我們了解演化歷程至關(guān)重要」何銘洋老師說(shuō)到。

透過(guò)與中研院院士蔡明道及副研究員何孟樵的冷凍電子顯微鏡團(tuán)隊(duì)合作,發(fā)現(xiàn)過(guò)去從未發(fā)現(xiàn)的球拍形藻膽蛋白體結(jié)構(gòu),不僅具備過(guò)去猜測(cè)藻膽蛋白體演化初期的孑遺性質(zhì),也特化出新的特徵?!冈谟^察電顯染色結(jié)果時(shí),看到有別於過(guò)去60年間研究的新結(jié)構(gòu),就非常興奮,它的形狀很像星際大戰(zhàn)裡的千年鷹號(hào)!」江漢威博士表示。這個(gè)藻膽蛋白體由兩個(gè)新發(fā)現(xiàn)的連接蛋白ApcH和CpcN組裝成特殊的七柱狀形的核心和兩條藻藍(lán)蛋白六聚體形成的長(zhǎng)鏈,看起來(lái)就像2個(gè)交錯(cuò)的球拍,因此研究團(tuán)隊(duì)命名此新結(jié)構(gòu)為「球拍形藻膽蛋白體」。這個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)讓無(wú)葉綠囊膜藍(lán)綠菌可以增加光的吸收。至於這個(gè)結(jié)構(gòu)不存在於演化後期出現(xiàn)的有葉綠囊膜的藍(lán)綠菌中的原因,可能是鏈狀的藻藍(lán)蛋白六聚體傳遞光能效率較差,以及在葉綠囊膜間無(wú)法容納如此巨大的藻膽蛋白體。總結(jié)來(lái)說(shuō),這獨(dú)特的藻膽蛋白體是演化中缺失的關(guān)鍵,使研究團(tuán)隊(duì)理解光能的吸收在演化過(guò)程中如何改變和適應(yīng),並為未來(lái)的研究提供新的方向。

研究成果於2023年12月4日發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《自然通訊》Nature Communications。文章連結(jié):https://doi.org/10.1038/s41467-023-43646-9

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