光合作用将光带入黑暗
对于地球上的生命来说，植物在阳光的帮助下进行光合作用并最终产生氧气和化学能至关重要。来自哥廷根和汉诺威的研究人员现在首次成功地以高分辨率 3D 方式可视化叶绿体复制机，即 RNA 聚合酶 PEP。详细的结构为这种复杂细胞机器的功能和进化提供了新的见解，它在读取光合作用蛋白质的遗传指令方面发挥着核心作用。
没有光合作用，就不会有可供呼吸的空气——它是地球上所有生命的基础。这个复杂的过程使植物能够利用太阳的光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这种转化发生在叶绿体中，叶绿体是光合作用的核心。当当今植物细胞的祖先吸收了光合蓝细菌时，叶绿体在进化过程中形成。随着时间的推移，细菌变得越来越依赖其“宿主细胞”，但仍保留了一些重要的功能，例如光合作用和部分细菌基因组。因此，叶绿体仍然拥有自己的 DNA，其中包含“光合作用机器”关键蛋白质的蓝图。
借助 PEP 来补充能量
“一种独特的分子复制机，一种称为 PEP 的 RNA 聚合酶，可以从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令，”马克斯普朗克多学科科学研究所 (MPI) 研究组组长、哥廷根大学医学中心和哥廷根“多尺度生物成像”卓越集群 (MBExC) 的成员。Hillen 强调，它对于激活光合作用所需的基因至关重要。如果没有有效的 PEP，植物就无法进行光合作用并保持白色而不是变绿。
不仅复制过程很复杂，复制机本身也很复杂：它由多亚基核心复合体组成，其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码，以及至少十二种相关蛋白质(称为 PAP)。植物细胞的核基因组为此提供了蓝图。“到目前为止，我们已经能够在结构和生物化学上表征叶绿体复制机的一些单独部分，但我们缺乏对其整体结构和各个 PAP 功能的精确了解，”Thomas Pfannschmidt 教授说。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所。
详细的 3D 快照
通过密切合作，Hauke Hillen 和 Thomas Pfannschmidt 领导的研究人员首次成功以 3.5 埃的分辨率(比毫米小 3500 万倍)以 3D 方式可视化包含 19 个亚基的 PEP 复合物。
“我们从白芥菜中分离出完整的 PEP，白芥菜是植物研究中的一种典型模型植物，”Pfannschmidt 团队成员、该研究的第一作者之一 Frederik Ahrens 描述道，该研究现已发表在《分子细胞》杂志上。随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由 19 部分组成的 PEP 复合体的详细 3D 模型。为此，样品被超快速速冷冻。然后，研究人员从多个角度对复印机进行了数千次拍摄，直至原子水平，并使用复杂的计算机计算将它们组合成整体图像。
“结构快照显示，PEP 核心与其他 RNA 聚合酶中的核心相似，例如细菌或高等细胞的细胞核。然而，它包含介导与 PAP 相互作用的叶绿体特异性特征。后者我们只在植物中发现，而且它们的结构是独一无二的，”MPI 博士生、MBExC 赫塔·斯彭纳学院成员、该研究的第一作者 Paula Favoretti Vital do Prado 解释道。科学家们已经假设 PAP 在读取光合作用基因方面发挥着各自的功能。“正如我们所展示的，蛋白质以一种特殊的方式围绕 RNA 聚合酶核心排列。根据它们的结构，PAP 很可能以各种方式与核心复合物相互作用，并参与基因读取过程，”Hillen 补充道。
了解光合作用的进化
该研究合作还使用数据库来寻找进化线索。他们想了解观察到的复印机架构是否与其他工厂相似。“我们的结果表明，所有陆地植物中 PEP 复合物的结构都是相同的，”Pfannschmidt 说。关于叶绿体 DNA 复制过程的新发现有助于我们更好地了解光合作用机制生物发生的基本机制。它们对于未来的生物技术应用也可能有价值。
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