12 月 14 日，濟南大學生物科學與技術學院秦曉春課題組與清華大學、南方科技大學隋森芳院士課題組合作在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上以長文形式發表題為 Structure of the Acidobacteria homodimeric reaction center bound with cytochrome c 的研究論文。該研究報道了一種酸桿菌門光合細菌同質二聚體類型的光合反應中心（CabRC）復合體高分辨率冷凍電鏡三維空間結構。目前光合細菌可劃分為七個門：藍細菌門、變形菌門、綠彎菌門、芽單胞菌門、厚壁菌門、綠菌門以及酸桿菌門，除酸桿菌門外，其余六大門類光反應中心的三維空間結構均已有報道。嗜熱光合酸桿菌（ Chloracidobacterium thermophilum，簡稱 C. thermophilum）是酸桿菌門中的典型代表，是微需氧而不產氧的光合細菌。該成果不僅揭示了 C. thermophilum 進行高效光能捕獲、傳遞和轉化的超分子結構基礎，而且對于理解從無氧光合到有氧光合的進化具有重要意義。
該成果在多方面具有創新性：（1）基于電子供體側結合兩個不同的細胞色素 c 亞基，首次揭示了 I 型同質 RC 中存在由 Heme 參與的電子傳遞途徑，即：Heme1-Heme2-P840-Acc-A0-FX-FA-FB，而以往僅在 II 型 RC 中觀察到 Heme 分子作為電子供體存在（I 型、II 型反應中心分別以鐵硫簇、醌作為電子終端受體）；（2）從電子受體蛋白與 RC 的結合方式看，與光系統 I（I 型異質二聚體 RC）相比，首次發現 I 型同質二聚體 RC 的電子受體蛋白幾乎以倒置的方式與 RC 結合，而同質二聚體 RC 被認為是 RC 的古老形式，該結構揭示了電子受體在進化過程中與 RC 結合方式上的變化；（3）從電子傳遞鏈的組成看，P840 由一對鋅-細菌葉綠素分子組成，Acc 與 A0均由 Chl a 分子組成，未發現醌分子參與電子傳遞鏈，而兩個脂分子與 A0 存在相互作用，揭示了電子傳遞鏈的多樣性與復雜性；（4）兩個 Ca2+離子對稱的分布在 Heme2 與特殊對 P840之間，與光系統 II 中水裂解中心 Mn4CaO5 具有相似的位置和類似的蛋白微環境，該結構特點對于理解有氧光合進化具有重要意義；（5）核心亞基周圍存在類似PSII的低分子量亞基分布，提示 C.thermophilum 在整個光合RCs進化中的地位十分特殊；（6）基于高分辨率結構及對 Chl a 和 BChl a 密度的精準研判，首次揭示了一種由二者共存組成的雜合天線系統，并提出了激發能在天線內部可能的能量傳遞路徑。一般認為有氧光合生物使用葉綠素類作為捕光色素捕獲可見光，無氧光合生物使用細菌葉綠素類作為捕光色素捕獲紅外光，而 CabRC 的捕光天線系統不僅結合 Chla 而且結合 BChl a，這導致它既可以吸收可見光又可以吸收紅外光，因此該結構為拓展太陽能吸收光譜、提高光能利用率提供了珍貴的自然范本。
該研究成果將推動光合作用機理研究進展，也將為人工模擬光合作用、提高作物光能利用率提供新思路、新方法與新途徑。
該項研究由濟南大學生物科學與技術學院秦曉春課題組與清華大學、南方科技大學隋森芳課題組合作完成，濟南大學生物科學與技術學院為第一完成單位。秦曉春教授和隋森芳院士為論文的共同通訊作者，濟南大學生物科學與技術學院青年教師董士尚、隋森芳院士課題組在讀博士研究生黃國強和秦曉春課題組 2021 屆畢業碩士研究生王昌輝為論文共同第一作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山東省自然科學基金和泰山學者計劃等項目的資助。
撰稿：閆峰 編輯：趙華磊 編審：賈海寧
