Natural strategies for photosynthesis light harvesting
- 作者
- Roberta Croce, Herbert van Amerongen
- 杂志
- Nature Chemical Biology（2014）
- DOI
- 10.1038/nchembio.1555
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
光合生物如何在不同光环境中高效捕获光能并避免光损伤，以及如何将自然光捕获的设计原则应用于人工光合系统
研究策略
通过比较不同光合生物（植物、绿藻、蓝藻、紫细菌、绿细菌等）的光捕获复合物，分析色素种类、蛋白支架、能量传递动力学和光保护调控机制，归纳出天线系统的通用设计原则
核心内容
该研究系统比较了植物、绿藻、蓝藻、紫细菌和绿细菌等光合生物的光捕获复合物，分析了色素种类、蛋白支架、能量传递动力学及光保护调控机制，归纳出天线系统的通用设计原则。研究揭示了能量传递的“整体漏斗”与“局部漏斗”两种模式，并阐明蛋白环境对色素光谱调谐和光保护开关的调控作用。关键结果表明，PSII超复合体中约300个叶绿素服务2个反应中心，量子效率约0.93，捕获光子后平均150 ps发生电荷分离；Chl b向Chl a的传递速率约0.2 ps⁻¹，反向速率小约16倍。此外，Acaryochloris marina含有95%的Chl d，吸收峰红移30 nm；OCP激活后可将藻胆体80%的激发能转化为热。研究还指出，将光合有效辐射扩展到750 nm可使氧气光合作用量子产率提高约20%。这些发现意味着自然界通过有限的色素类型和可调的蛋白支架实现了从可见到近红外光的有效捕获，其设计原则可为优化天然和人工光合系统提供指导。
创新点
提出了整体漏斗和局部漏斗两种能量传递设计模式；揭示了蛋白环境对色素光谱调谐和光保护开关的调控机制；指出利用Chl d/f扩展吸收光谱及缩小天线以提高光合效率的途径
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 植物（如菠菜） | 光合作用光反应 | — | PSII-LHCII超复合体 | 催化 | 含有约300个叶绿素，量子效率0.93，反应中心P680吸收峰680 nm |
| 植物 | 光合作用光反应 | — | PSI光系统I | 催化 | 反应中心P700吸收峰700 nm，接受来自天线复合物的激发能 |
| 植物/绿藻 | 光合作用光反应 | — | LHCII | 能量供给 | 主要捕光复合物，含Chl a/b和类胡萝卜素，快速将激发能传递给反应中心 |
| 紫细菌（Rhodopseudomonas acidophila） | 光合作用光反应 | — | LH2 | 能量供给 | 含BChl a，具有800和850 nm两个近红外吸收带，向LH1-RC传递能量 |
| 甲藻（Amphidium carterae） | 光合作用光反应 | — | PCP（多甲藻素-叶绿素蛋白） | 能量供给 | 含有8个多甲藻素围绕2个叶绿素，类胡萝卜素吸收光能后快速传至叶绿素 |
| 蓝藻/红藻 | 光合作用光反应 | — | 藻胆体 | 能量供给 | 包含藻胆蛋白和藻胆色素，吸收550-680 nm光，并形成能量漏斗 |
| 绿色细菌（如Chloroflexus aurantiacus） | 光合作用光反应 | — | 氯小体（色素聚集体） | 能量供给 | 由数十万BChl c/d/e自组装而成，通过中间BChl a池将能量传递至反应中心 |
| 植物 | 光保护/非光化学淬灭 | PsbS | PsbS蛋白 | 调控 | 感测类囊体腔低pH，触发LHCII构象变化导致能量淬灭 |
| 莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii） | 光保护/非光化学淬灭 | LhcSR | LhcSR蛋白 | 调控 | 在高光适应时表达，作为能量淬灭开关 |
| 蓝藻（Synechocystis sp. PCC 6803） | 光保护/非光化学淬灭 | OCP | 橙色类胡萝卜素蛋白 | 调控 | 吸收蓝绿光后构象变化，结合藻胆体并淬灭80%激发能 |
关键发现
- PSII超复合体中约300个叶绿素服务2个反应中心，量子效率约0.93，捕获光子后平均150 ps发生电荷分离
- Chl a在溶液中的衰减速率约0.2 ns^-1，植物PSII天线平均衰减速率约0.5 ns^-1
- Chl b (650 nm)向Chl a (675 nm)的传递速率约0.2 ps^-1，反向速率小约16倍
- Acaryochloris marina含有95%的Chl d，吸收峰红移30 nm
- Chl f吸收达750 nm，在体内仅占10-15%
- Lhca4最低能态吸收峰705 nm，通过改变邻近氨基酸可使其蓝移或红移
- OCP激活后可将藻胆体80%的激发能转化为热
- 将光合有效辐射（PAR）扩展到750 nm可使氧气光合作用量子产率提高约20%
研究结论
自然界通过有限的色素类型和可调的蛋白支架实现了从可见到近红外光的有效捕获和传递，并通过多种调控机制平衡光吸收与光保护；这些设计原则可为优化天然和人工光合系统提供指导