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从分子水平解读光合作用照亮人类未来之路

来源: china-nengyuan.com   更新时间:2018-10-08 16:03:30    

  昆士兰大学(UQ)和明斯特大学(WWU)的研究人员已经纯化和可视化了循环电子流(CEF)超复合体,这是所有植物光合作用机制的关键部分,这一发现有助于指导下一代太阳能生物技术的发展。

  这一发现与巴塞尔大学、冈山大学和新南威尔士大学的国际科学家团队合作,发表在《美国国家科学院院刊》上,并在分子水平上对光合作用过程提供了新的见解。

  到2050年,我们将需要增加50%的燃料、70%的食物和50%的清洁水才能满足全人类的需求。UQs分子生物科学研究所(UQs Institute for Molecular Bioscience)的Ben Hankamer教授表示,基于光合作用的微藻技术有潜力在满足这些需求方面发挥重要作用。他是太阳能生物技术中心(Centre for Solar Biotechnology)的负责人。通过更好地了解这些微生物如何在分子水平上捕获和储存太阳能,将会推动以太阳能为基础的生物技术的发展。


在废水和光照条件下迅速生长的微藻培养物。

  在30亿多年的时间里,植物、藻类和蓝绿色细菌已经进化出精密的纳米级运作方式,使它们能够进行光合作用,在此过程中,太阳能被捕获并以化学能的形式储存起来。

  这种化学能以ATP分子和NADPH分子的形式存在,它们对许多细胞过程都至关重要。

  ATP和NADPH使光合生物体得以生长,随着它们的生长,它们产生大气中的氧气以及食物和燃料,这些食物和燃料支撑着地球上的生命,Hippler教授说,他在WWUs植物生物学和生物技术研究所工作。

  光合作用有两种模式:线性电子流(LEF)和循环电子流(CEF)。为了在不断变化的光条件下高效工作,光合生物体必须平衡它所吸收的光和它所需要的能量,ATP和NADPH。它通过不断微调这两种模式之间的关系来实现这一点。


光合作用形式之一:循环电子流(图片来自
leavingbio.net)


光合作用形式之二:线性电子流(图片来自leavingbio.net)
 

  有生物化学证据表明,一种被称为循环电子流(CEF)超复合物的大分子在这个微调过程中起着关键作用。然而,Hankamer教授说,由于它的动态性,很难将这种超复合体用于结构测定。

  为了解决这一问题,研究小组使用复杂的方法从微藻中纯化和表征CEF超复合物,然后用电子显微镜分析其结构。

  为了寻找超复合体,研究人员煞费苦心地从微藻中提取了大约50万个蛋白质复合体。其中只有1000个是CEF超复合体。

  结构分析揭示了光采集复合物、光系统和细胞色素b6f组件如何组装成CEF超复合物,以及它们的排列方式如何使它们能够动态连接和断开,以执行不同的功能,使生物体适应不同的光条件和能量需求。

  这些信息,再加上额外的实验证据,使研究人员能够提出一种新的假说来解释CEF超复合体是如何工作的。

  Hippler教授表示,CEF超复合体是进化上高度保守结构的一个极好的例子。他解释说,它似乎在许多植物和藻类中都得到了保护,可能在数百万年里都没有发生显著变化。

  Hankamer教授解释说,这项工作对于太阳能生物技术中心开发下一代太阳能生物技术和产业的努力至关重要。

  该中心已扩展至包括欧洲、亚洲、美国、澳大利亚和新西兰的30个国际团队,并致力于开发基于光合绿藻的下一代太阳能驱动生物技术。


光合作用所转化的太阳能约为人类所需的10倍,也是地球上大部分生物赖以生存的基础。

  Hankamer教授说,该团队的目标是优化绿色藻类的光合作用机制,以生产出有助于满足世界能源、食物和水需求的技术。为了实现这些目标,我们需要了解光合作用是如何在分子水平上起作用的。

  这一新信息将有助于指导设计基于微藻和各种太阳能驱动的生物技术和工业的下一代太阳能捕获技术,用于生产高价值产品、食品、燃料和清洁水。随着国际社会制定应对气候变化的解决方案,从大气中提取二氧化碳及其利用和储存也是令人兴奋的领域。

  (原文来自:每日生物燃料 综合)

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