Functional characteristics of spirilloxanthin and keto-bearing Analogues in light-harvesting LH2 complexes from Rhodobacter sphaeroides with a genetically modified carotenoid synthesis pathway
- 作者
- Dariusz M. Niedzwiedzki, Preston L. Dilbeck, Qun Tang, David J. Mothersole, Elizabeth C. Martin, David F. Bocian, Dewey Holten, C. Neil Hunter
- 单位
- Photosynthetic Antenna Research Center, Washington University, St. Louis, MO 63130, USA; Department of Chemistry, Washington University, St. Louis, MO 63130, USA; Department of Chemistry, University of California Riverside, Riverside, CA 92521, USA; Department of Molecular Biology and Biotechnology, University of Sheffield, Sheffield S10 2TN, UK
- 杂志
- BBA - Bioenergetics（2015）
- DOI
- 10.1016/j.bbabio.2015.04.001
- 所属领域
- 光合作用/生物能量学
- 关键词
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解决的核心问题
揭示长链类胡萝卜素（N≥13）及其酮基衍生物在LH2天线复合物中的光物理特性，并解释其Car→BChl能量传递效率显著低于短链类胡萝卜素的原因。
研究策略
通过基因工程改造Rhodobacter sphaeroides的类胡萝卜素合成途径（crtI:crtlP4），使类胡萝卜素生产转向螺菌黄素途径，产生不同长度的长链类胡萝卜素；结合稳态吸收光谱、飞秒瞬态吸收光谱、共振拉曼光谱和荧光激发谱，系统比较类胡萝卜素在有机溶剂和LH2复合物中的激发态能级、寿命与能量传递效率。
核心内容
本研究通过基因工程改造Rhodobacter sphaeroides的类胡萝卜素合成途径（crtI:crtlP4），使产物转向螺菌黄素等长链类胡萝卜素（N≥13）及其酮基衍生物，并利用稳态吸收、飞秒瞬态吸收、共振拉曼及荧光激发谱，系统比较了这些类胡萝卜素在有机溶剂与LH2复合物中的激发态性质和能量传递行为。结果显示，厌氧条件下LH2主要含螺菌黄素（N=13，占60%），半好氧条件下则产生酮基螺菌黄素及二酮基螺菌黄素（N=15，21%）等。酮基类胡萝卜素的Car→BChl能量传递效率为41%-42%，螺菌黄素约39%，远低于短链类胡萝卜素（神经孢霉素94%）。关键发现是这些长链类胡萝卜素的S1态能量（11100-11750 cm-1）低于或接近B850*能级（11780 cm-1），使S1态几乎不参与能量传递，主要依赖S2态介导。此外，含长链类胡萝卜素的LH2中B850*寿命缩短至约0.8 ns，提示存在类胡萝卜素介导的激发态猝灭。该工作首次系统阐明了长链及酮基类胡萝卜素在LH2中的光物理特性，为理解光合天线能量传递效率差异及光保护机制提供了新见解。
创新点
（1）首次在LH2复合物中系统表征了N=13-15长链及含酮基类胡萝卜素的S1和S2激发态性质；（2）证明此类长链类胡萝卜素的S1态能量低于或接近B850*，几乎不参与能量传递，能量传递主要通过S2态；（3）发现C=O键对S2和S1态能量的影响不同，表明酮基类胡萝卜素可能构成独特的光物理类别。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter sphaeroides crtI:crtlP4 | 螺菌黄素类胡萝卜素合成途径 | crtI（来自Pantoea agglomerans） | CrtI（八氢番茄红素脱氢酶） | 催化 | 四步脱氢酶取代内源三步酶，使类胡萝卜素生产进入螺菌黄素途径 |
| Rhodobacter sphaeroides crtI:crtlP4 | 螺菌黄素类胡萝卜素合成途径 | crtA（内源） | CrtA（球形烯单加氧酶） | 催化 | 催化末端C=O酮基化，生成酮基类胡萝卜素；氧水平决定反应程度 |
| Rhodobacter sphaeroides crtI:crtlP4 | LH2光捕获天线（光合作用） | — | LH2 α 和 β 脱辅基蛋白 | 区室化 | 组装成环形跨膜复合物，为色素提供结合位点，形成B800和B850色素阵列 |
| Rhodobacter sphaeroides crtI:crtlP4 | 光合作用能量传递 | — | 细菌叶绿素a（B800和B850） | 能量供给 | B850为激子耦合的BChl a环，吸收约850 nm；B800为单体，吸收约800 nm，接收类胡萝卜素能量 |
| Rhodobacter sphaeroides crtI:crtlP4 | 类胡萝卜素光捕获 | — | 螺菌黄素、酮基无水罗氏菌素、酮基螺菌黄素、二酮基螺菌黄素等类胡萝卜素 | 能量供给 | N=13-15长链类胡萝卜素，吸收450-580 nm光，将激发能传递给BChl a；S1态能量低于B850*，传递主要经S2态 |
关键发现
- 厌氧生长的crtI:crtlP4菌株LH2中，主要类胡萝卜素为螺菌黄素（N=13，占60%）和无水罗氏菌素（N=12，占15%）
- 半好氧生长时，主要含酮基无水罗氏菌素（N=13，28%）、酮基螺菌黄素（N=14，16%）和二酮基螺菌黄素（N=15，21%）。Car→BChl能量传递效率：螺菌黄素-LH2约39%，二酮基螺菌黄素-LH2约35%（基于先前研究），本工作测得酮基类胡萝卜素在LH2中为41%-42%，远低于短链类胡萝卜素（如神经孢霉素94%、球烯95%）。S1激发态寿命：二酮基螺菌黄素在正己烷中室温为0.8 ps，77K下为1.1-1.2 ps
- 酮基螺菌黄素为1.1 ps
- 酮基无水罗氏菌素为1.5 ps
- 在LH2中，酮基无水罗氏菌素为1.4 ps，二酮基螺菌黄素室温下为1.1 ps，77K下为1.8 ps。S1态能量：二酮基螺菌黄素11100 cm-1、酮基螺菌黄素11250 cm-1、酮基无水罗氏菌素11750 cm-1（正己烷，室温），均低于或接近B850*能量（11780 cm-1）。含长链类胡萝卜素的LH2中B850*寿命约0.8 ns，短于通常的~1 ns。共振拉曼ν1频率：无水罗氏菌素1509 cm-1，螺菌黄素1507 cm-1，酮基无水罗氏菌素1507 cm-1，酮基螺菌黄素1505 cm-1，二酮基螺菌黄素1501 cm-1。
研究结论
长链类胡萝卜素（N≥13）的S1激发态能量低于或接近B850*，导致S1态几乎不参与向BChl a的能量传递，能量传递主要由S2态介导。因此这类类胡萝卜素的Car→BChl能量传递效率仅约0.4，明显低于短链类胡萝卜素；同时B850*寿命缩短提示可能存在类胡萝卜素介导的激发态猝灭，为理解光合作用天线的光保护机制提供了新线索。