昆士蘭大學和明斯特大學(WWU)的研究人員已經純化和可視化了迴圈電子流(CEF)超複合體, 這是所有植物光合作用機制的關鍵部分, 這一發現有助於指導下一代太陽能生物技術的發展.
這一發現與巴塞爾大學, 岡山大學和新南威爾士大學的國際科學家團隊合作, 發表在《美國國家科學院院刊》上, 並在分子水平上對光合作用過程提供了新的見解.
到2050年, 我們將需要增加50%的燃料, 70%的食物和50%的清潔水才能滿足全人類的需求. UQs分子生物科學研究所(UQs Institute for Molecular Bioscience)的Ben Hankamer教授表示, 基於光合作用的微藻技術有潛力在滿足這些需求方面發揮重要作用. 他是太陽能生物技術中心(Centre for Solar Biotechnology)的負責人. 通過更好地了解這些微生物如何在分子水平上捕獲和儲存太陽能, 將會推動以太陽能為基礎的生物技術的發展.
在廢水和光照條件下迅速生長的微藻培養物.
在30億多年的時間裡, 植物, 藻類和藍綠色細菌已經進化出精密的納米級運作方式, 使它們能夠進行光合作用, 在此過程中, 太陽能被捕獲並以化學能的形式儲存起來.
這種化學能以ATP分子和NADPH分子的形式存在, 它們對許多細胞過程都至關重要.
ATP和NADPH使光合生物體得以生長, 隨著它們的生長, 它們產生大氣中的氧氣以及食物和燃料, 這些食物和燃料支撐著地球上的生命, Hippler教授說, 他在WWUs植物生物學和生物技術研究所工作.
光合作用有兩種模式: 線性電子流(LEF)和迴圈電子流(CEF). 為了在不斷變化的光條件下高效工作, 光合生物體必須平衡它所吸收的光和它所需要的能量, ATP和NADPH. 它通過不斷微調這兩種模式之間的關係來實現這一點.
光合作用形式之一: 迴圈電子流(圖片來自 leavingbio.net)
光合作用形式之二: 線性電子流 (圖片來自 leavingbio.net) 有生物化學證據表明, 一種被稱為迴圈電子流(CEF)超複合物的大分子在這個微調過程中起著關鍵作用. 然而, Hankamer教授說, 由於它的動態性, 很難將這種超複合體用於結構測定.
為了解決這一問題, 研究小組使用複雜的方法從微藻中純化和表徵CEF超複合物, 然後用電子顯微鏡分析其結構.
為了尋找超複合體, 研究人員煞費苦心地從微藻中提取了大約50萬個蛋白質複合體. 其中只有1000個是CEF超複合體.
結構分析揭示了光採集複合物, 光系統和細胞色素b6f組件如何組裝成CEF超複合物, 以及它們的排列方式如何使它們能夠動態連接和斷開, 以執行不同的功能, 使生物體適應不同的光條件和能量需求.
這些資訊, 再加上額外的實驗證據, 使研究人員能夠提出一種新的假說來解釋CEF超複合體是如何工作的.
Hippler教授表示, CEF超複合體是進化上高度保守結構的一個極好的例子. 他解釋說, 它似乎在許多植物和藻類中都得到了保護, 可能在數百萬年裡都沒有發生顯著變化.
Hankamer教授解釋說, 這項工作對於太陽能生物技術中心開發下一代太陽能生物技術和產業的努力至關重要.
該中心已擴展至包括歐洲, 亞洲, 美國, 澳大利亞和新西蘭的30個國際團隊, 並致力於開發基於光合綠藻的下一代太陽能驅動生物技術.
光合作用所轉化的太陽能約為人類所需的10倍, 也是地球上大部分生物賴以生存的基礎. Hankamer教授說, 該團隊的目標是優化綠色藻類的光合作用機制, 以生產出有助於滿足世界能源, 食物和水需求的技術. 為了實現這些目標, 我們需要了解光合作用是如何在分子水平上起作用的.
這一新資訊將有助於指導設計基於微藻和各種太陽能驅動的生物技術和工業的下一代太陽能捕獲技術, 用於生產高價值產品, 食品, 燃料和清潔水. 隨著國際社會制定應對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存也是令人興奮的領域.
