2017年10月19日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳教授研究組在《自然》（Nature）雜志上以長文（Research Article）形式在線發(fā)表題為《海洋紅藻藻膽體的結(jié)構(gòu)》（Structure of phycobilisome from the red alga?Griffithsia pacifica）的研究論文，首次報(bào)道了世界上第一個(gè)完整藻膽體的近原子分辨率的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)，為揭示藻膽體的組裝機(jī)制和光能傳遞途徑奠定了重要基礎(chǔ)。
光合作用是地球上的生物賴以生存的基礎(chǔ)。為了獲取更多的光能，生物體發(fā)展出了多種捕光蛋白系統(tǒng)。其中存在于藍(lán)藻和紅藻中的藻膽體是迄今已知的最大的捕光蛋白復(fù)合物，它位于膜表面，并與位于膜中的光和反應(yīng)中心結(jié)合，能將吸收的太陽光以極高的效率傳遞給光合反應(yīng)中心以便進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放氧氣。這個(gè)巨大的超分子復(fù)合體的組裝機(jī)制和光能在其中的傳遞機(jī)制一直是光合作用研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問題。
隋森芳教授研究組長期致力于利用冷凍電鏡技術(shù)研究與生物膜相關(guān)的重要蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能。此前曾于2005年在FEBS Letter雜志報(bào)道了來源于藍(lán)藻發(fā)菜的完整藻膽體的電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率約為30 ?。隨后又于2015年在Cell Research雜志報(bào)道了來源于藍(lán)藻魚腥藻的完整藻膽體的負(fù)染電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率約為20 ?。在此次發(fā)表的《自然》論文中，隋森芳教授研究組攻克了藻膽體在冷凍制樣時(shí)鹽濃度高、穩(wěn)定性差、具有優(yōu)勢取向等難題，獲得了近原子分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，其中整體結(jié)構(gòu)分辨率為3.5 ?，核心區(qū)域分辨率達(dá)到3.2 ?。這是第一個(gè)完整藻膽體的近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)，也是迄今為止報(bào)道過的分辨率高于4 ?的最大的蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)，該復(fù)合體理論分子量為16.8MDa，包含862個(gè)蛋白亞基。這個(gè)工作第一次解析出了所有連接蛋白在功能組裝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，包括4個(gè)核內(nèi)連接蛋白，16個(gè)核桿連接蛋白、52個(gè)桿連接蛋白的結(jié)構(gòu)，第一次觀察到這些連接蛋白有序地形成了超分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)骨架，為色素蛋白的精密組裝及高效率的能量傳遞提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。還值得一提的是該工作第一次確定了藻膽體中全部2048個(gè)色素的整體排布，并推測出了多條新的能量傳遞途徑，為進(jìn)一步理解藻膽體內(nèi)的能量傳遞機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
上圖為 紅藻藻膽體的三維結(jié)構(gòu)，a b分別為正面和底面兩個(gè)不同取向，c為由連接蛋白形成的結(jié)構(gòu)骨架，d為色素的整體分布
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳教授和孫珊副研究員為本文的共同通訊作者；生命學(xué)院已畢業(yè)博士生張君（現(xiàn)為英國劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室博士后）、在讀三年級(jí)博士生馬建飛為本文的共同第一作者。生命學(xué)院博士后劉德生參與了結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化，中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所的秦松研究員參與了前期樣品篩選工作，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的趙進(jìn)東教授參與了生化數(shù)據(jù)的分析和撰稿。國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)，以及清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)為數(shù)據(jù)收集和處理提供了支持。膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、科技部、國家自然科學(xué)基金等為本研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。
