x光显示光如何改变光合作用的“开关”

水稻生物科学家参与了高级x射线晶体学研究

当人们进入一间黑暗的房间时，他们很可能会打开电灯开关。植物也有类似的功能，但是蛋白质会通过翻转感知光的存在。

当这些光敏色素从静止状态转换到光激活状态并返回时，它们帮助植物根据每日和季节节律调节它们的生命周期，测量一天的长度，为夏季的开始或冬季的到来做准备。

包括水稻生物科学家和联合首席研究员乔治·菲利普斯、联合首席作者和前博士后研究员乔纳森·克林杰在内的一个多机构研究小组，对植物光合作用吸收太阳丰富能量的机制有了更深入的了解。

他们在《美国国家科学院院刊》上发表的论文描述了一种可逆的植物色素光敏传感器，这种传感器是在一种蓝藻中发现的，即长形热丝球球菌，它与植物蛋白具有相同的特性。这种蛋白质在黑暗中表达，但在几分之一秒内被光唤醒。

从侧面和上方通过x射线晶体学捕捉到的PixJ光敏部分的结构视图显示了光激发下信号蛋白的变化。这种蛋白质是光敏色素的一部分，负责让植物感知光的存在。美国能源部SLAC国家加速器实验室升级激光实验室的研究人员最先分析了这种蛋白质。插图:Jonathan Clinger

到目前为止，这一过程是不可能看到的。但是Phillips和他的合作者通过国家科学基金会支持的BioXFEL科学技术中心使用了一种强大的x射线晶体学技术，使他们能够非常详细地见证传感器的转换过程。

该团队使用了美国能源部斯坦福大学SLAC国家加速器实验室最新升级的x射线自由电子激光来分析光光色素，通过飞秒(千万亿分之一秒)的光束运行在不同状态下结晶的蛋白质流，以获取其原子结构的信息。然后，功能强大的计算机分析了高分辨率的衍射数据，建立了蛋白质在各种构象下的图像。

此前，该团队在《自然方法》杂志上发表了一篇概念验证论文，其中还包括莱斯大学的资深科学家米奇·米勒，他是这两篇论文的合著者。

乔治•菲利普斯

“我们离制作蛋白质的原子‘电影’越来越近了，”Rice’s的生物化学和细胞生物学教授、BioXFEL中心的教育和多样性主任Phillips和Dorothy Looney说。

他说:“当生物体需要改变它们对光的行为时，传感器就会接收光子并向下游的响应机制发送信号。”“这项研究有助于解释这种信号在光合作用生物体中是如何工作的，很明显，光合作用生物体需要光才能茁壮成长。”

圣路易斯华盛顿大学的联合首席研究员理查德·维耶斯特拉说，这种光感受器已经被研究了60年，但直到现在才被详细地看到它们的过程。这些图像揭示了被称为PixJ的蛋白质的发色团是如何通过改变两个吡咯环之间的键来旋转的。

这项研究的主要资金来自美国国家普通医学研究所、华盛顿大学圣路易斯分校和美国国家科学基金会。