良渚實驗室出新成果 這項和光合作用有關的研究登上《科學》雜志

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團隊照片 浙江大學 供圖

在這項成果中，科研人員研究的古老光合細菌名為綠硫細菌。這是一種極端厭氧的原核光合生物，能夠在光照極弱的環境下利用光能進行光合作用。要捕獲環境中的微弱光子，離不開綠硫細菌特殊的光合作用反應中心。

如何克服綠硫細菌反應中心複合體在體外環境下的不穩定性是該課題首要解決的難題，研究過程中，科研團隊對樣品制備的各環節進行了反複優化，獲得了足量且穩定的樣品，通過冷凍電鏡技術, 收集了近萬張電子顯微鏡成像圖片，最終在世界上首次解析了綠硫細菌光合作用反應中心的“廬山真面目”。

綠硫細菌在光合作用過程中能量的吸收和傳遞較為複雜，首先通過外周捕光天線（一個包含大量色素分子的囊狀結構）捕獲光能，再通過內周捕光天線FMO蛋白向反應中心傳遞。

這些不斷向內傳遞的能量，能夠激發反應中心內部一對特殊的葉綠素分子，產生電荷分離，光能由此轉變成了電能（電子）。之後，這些電子會通過下遊的一系列載體繼續傳遞，最終傳遞到末端的電子受體，形成還原力並進一步將二氧化碳等無機物轉化成有機物。

團隊成員、浙江大學冷凍電鏡中心及良渚實驗室教授張興表示，在高等植物中，存在兩種不同的光反應系統，分別為光系統I和光系統Ⅱ。其中，光系統Ⅱ能夠利用光能將水裂解，產生質子和電子並生成氧氣；光系統I能夠吸收太陽能，轉變成化學能發生電荷分離，並將電子傳遞給下遊受體形成還原力等，用於進一步固定二氧化碳，制造食物合成有機物。

圖片截自《自然》官網

綠硫細菌光合作用反應中心的進化位置一直不夠明確。此前，科學家們推測，綠硫細菌的光合作用反應中心類似於綠色植物中的光系統I。但良渚實驗室研究人員發現，綠硫細菌的光合作用反應中心在結構上與光系統I和Ⅱ都有相似之處。

“比如，它們的蛋白結構和光系統I比較像，然而色素排列跟光系統Ⅱ也很相似。”張興介紹，這兩種光系統結構兼具的“混沌狀態”暗示，綠硫細菌的反應心可能代表了進化早期的光合生物反應中的古老特征。

“科學界的普遍共識是，地球上所有現存的光合作用反應中心都起源於相同的‘祖先’(一類原始的反應中心蛋白)，並由該蛋白不斷進化而形成現有的各種各樣的反應中心。”張興說，“此次解析到的綠硫細菌反應中心，是目前唯一發現具有兩類反應中心結構特征的分子，驗證了科學界的共識。”

論文評審專家表示:“這項研究對於揭示30億年前地球原始光合生物如何進行光合作用具有重要的啟示，對於理解光合作用反應中心的進化極其重要。”

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