10月30日，記者從中國農(nóng)科院獲悉，葉綠素合成關(guān)鍵酶的三維結(jié)構(gòu)首次被解析，這一成果由中國農(nóng)科院、上海交通大學(xué)、英國曼徹斯特大學(xué)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)共同完成，并于近日發(fā)表于《自然》雜志。
萬物生長靠太陽
在生物進(jìn)化的過程中，能量及物質(zhì)的合成，經(jīng)過了“黑暗-光明”的轉(zhuǎn)變。在生命誕生之初，大部分微生物都可以在黑暗中存活，引導(dǎo)它們合成物質(zhì)和能量的，是一種名為DPOR（非光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶）的蛋白酶。隨著生物的進(jìn)化，葉綠體逐漸形成，進(jìn)化出來的高等生物產(chǎn)生了光合作用，這是一個(gè)可以將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程，而光合作用中重要的光激發(fā)酶LPOR（光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶）起到了光合反應(yīng)途徑閥門的作用，誘導(dǎo)物質(zhì)和能量的合成。
LPOR在光合作用中的重要作用。受訪者供圖
大約在百年前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了這一物質(zhì)，“它是葉綠素合成前一步反應(yīng)的催化酶”，該論文的共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所助理研究員孫文麗告訴新京報(bào)記者，“在黑暗中，葉綠素的合成被原葉綠素酸酯所阻斷，當(dāng)遇到光線時(shí)，受到光的激發(fā)，原葉綠素酸酯氧化還原酶將原葉綠素酸酯轉(zhuǎn)化為葉綠素酸酯，葉綠素酸酯再轉(zhuǎn)化形成葉綠素，從而啟動(dòng)光合作用。”
找到光合作用的開關(guān)
然而，即便知道了基本的原理，但囿于技術(shù)原因，科學(xué)家們卻一直沒有能夠揭開LPOR蛋白結(jié)構(gòu)的神秘面紗，只是通過電腦建模來模擬它的結(jié)構(gòu)及運(yùn)作的過程，孫文麗說，“LPOR蛋白是光激發(fā)的，穩(wěn)定性不好，想要獲得其晶體并不容易。這一次我們不僅獲得了LPOR酶單體晶體，同時(shí)還獲得了LPOR-NADPH（光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶-煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）蛋白復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，通過電腦建模，構(gòu)建了更加精準(zhǔn)的LPOR-NADPH-原葉綠素酸酯三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)。”
LPOR-NADPH晶體結(jié)構(gòu)。受訪者供圖
據(jù)介紹，這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了國際上近一百年來光合作用相關(guān)領(lǐng)域的空白（葉綠素生物合成光驅(qū)動(dòng)型酶LPOR及其輔因子NADPH復(fù)合體的三維晶體結(jié)構(gòu)），揭秘了太陽提供給地球上一切生命的終極能量來源的生物學(xué)轉(zhuǎn)化“閥門”的真實(shí)結(jié)構(gòu)及其開關(guān)功能，具有“里程碑”式的意義。
更精確的晶體結(jié)構(gòu)能做什么
孫文麗介紹，新的發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)在多個(gè)生物學(xué)領(lǐng)域的研究中，起到更重要的作用。
“簡單來說，得到光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶的晶體結(jié)構(gòu)，以及其相應(yīng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，為更多領(lǐng)域的研究，提供了更多更準(zhǔn)確的模型。”孫文麗說。
這一模型在光驅(qū)動(dòng)型催化劑及蛋白小分子抑制劑的設(shè)計(jì)研究中都有可能用到，“當(dāng)我們需要開發(fā)新的光驅(qū)動(dòng)型酶，如光驅(qū)動(dòng)型聚合酶時(shí)，就可能使用到這種模型”。孫文麗說。
孫文麗介紹，“植物從發(fā)芽到幼苗，要經(jīng)歷一個(gè)從黃變綠的過程，這個(gè)過程，就是從光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶的工作開始的，我們了解了它的結(jié)構(gòu)，以及它運(yùn)作的過程，就能開發(fā)出更多的、有針對(duì)性的蛋白酶，幫助農(nóng)作物更好地生長”。
