缺失環節已確定：光合藻類進化之謎終于解開
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隱植物天線中捕獲陽光能量的新型蛋白質結構的計算機模型。來源：新南威爾士大學
科學家們已經確定了兩種古老藻類——紅藻和隱生植物之間缺失的進化聯系的蛋白質。
如果不是因為COVID-19大流行，分子生物學家幾十年來一直未能解決的進化之謎可能永遠無法解開。
“被困在家里是因禍得福，因為沒有可以做的實驗。我們剛剛擁有計算機和大量時間，”新南威爾士大學悉尼分校的結構生物學家和分子生物物理學家 Paul Curmi 教授說。
Curmi 教授指的是最近發表在《自然通訊》上的一項研究，該研究詳細描述了一種稱為隱植物的單細胞光合生物中的關鍵蛋白質的分解和重建，隱植物是一種在 10 億年前進化的藻類。
到目前為止，隱生植物如何獲得用于捕獲和匯集陽光以供細胞使用的蛋白質，讓分子生物學家摸不著頭腦。他們已經知道這種蛋白質是有機體用來將陽光轉化為能量的一種天線的一部分。他們還知道，隱植物從其光合作用的祖先——紅藻那里繼承了一些天線成分，而在此之前，藍藻是地球上最早形成疊層石的生命形式之一。
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但是蛋白質結構如何在隱植物自己的新型天線結構中組合在一起仍然是一個謎——直到昆士蘭大學和不列顛哥倫比亞大學的 Curmi 教授、博士生 Harry Rathbone 及其同事仔細研究了來自中國研究人員于2020年3月公開的一種祖紅藻生物。
解開這個謎團意味著該團隊最終可以講述這種蛋白質如何使這些古老的單細胞生物在最惡劣的條件下茁壯成長的故事——在水下幾米，幾乎沒有陽光直射轉化為能量。
Curmi 教授說，這項工作的主要意義在于進化生物學。
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“我們提供了兩個非常不同的天線系統之間的直接鏈接，并為發現一個系統如何演變成一個不同的系統打開了大門——這兩個系統似乎在捕獲光方面都非常有效，”他說。
“光合藻類具有許多不同的天線系統，這些天線系統具有能夠捕獲每個可用光光子并將其轉移到將光能轉化為化學能的光系統蛋白的特性?！?/p>
通過努力了解藻類系統，科學家們希望揭示這些光合系統出色的光子效率背后的基本物理原理。Curmi 教授說，這些可能有朝一日會在包括太陽能系統在內的光學設備中得到應用。
為了更好地理解蛋白質發現的重要性，它有助于理解單細胞生物這個非常奇怪的世界，這把格言“你就是你吃的東西”提升到了一個新的水平。
正如研究的主要作者、博士生 Harry Rathbone 解釋的那樣，當一個單細胞生物吞食另一個時，它可以進入一種內共生關系，其中一個生物體生活在另一個生物體內部，兩者變得不可分割。
“通常與藻類一起，他們會去尋找一些午餐——另一種藻類——他們會決定不消化它。本質上，他們會讓它聽命于它，”拉斯伯恩先生說?！岸@些新生物可以以同樣的方式被其他生物吞噬，有點像俄羅斯套娃?！?/p>
事實上，這很可能是大約 15 億年前，藍藻被另一種單細胞生物吞食時發生的情況。藍藻已經有一個復雜的蛋白質天線，可以捕獲每一個光子。但是，宿主生物沒有消化藍藻，而是有效地將其剝離成部分——保留了新生物——紅藻——用于獲取能量的天線蛋白結構。
當另一種生物吞食紅藻成為第一個隱生植物時，情況也類似。除了這一次，天線被帶到宿主生物體膜的另一側，并完全重塑成新的蛋白質形狀，這些蛋白質在捕獲太陽光子方面同樣有效。
進化
正如 Curmi 教授解釋的那樣，這些是現代植物和其他光合生物（如海藻）進化的第一步。
“從光合作用的藍藻到地球上其他所有的光合作用的東西，一些古老的祖先吞噬了一種藍藻，然后它變成了細胞的葉綠體，將陽光轉化為化學能。
“而生物之間的交易有點像，只要你進行光合作用并給我能量，我就會保證你的安全?！?/p>
該項目的合作者之一，不列顛哥倫比亞大學植物系榮譽退休教授 Beverley Green 博士說，Curmi 教授能夠通過從不同角度解決問題來做出這一發現。
“Paul 的新方法是根據形狀而不是氨基酸序列的相似性來尋找祖先蛋白質，”她說。
“通過搜索兩種紅藻多蛋白復合物的 3D 結構，尋找與隱植物蛋白以相同方式折疊的蛋白質片段，他能夠找到缺失的拼圖?！?/p>