缺失环节已确定：光合藻类进化之谜终于解开

隐植物天线中的新蛋白质结构

隐植物天线中捕获阳光能量的新型蛋白质结构的计算机模型。来源：新南威尔士大学

科学家们已经确定了两种古老藻类——红藻和隐生植物之间缺失的进化联系的蛋白质。

如果不是因为COVID-19大流行，分子生物学家几十年来一直未能解决的进化之谜可能永远无法解开。

“被困在家里是因祸得福，因为没有可以做的实验。我们刚刚拥有计算机和大量时间，”新南威尔士大学悉尼分校的结构生物学家和分子生物物理学家 Paul Curmi 教授说。

Curmi 教授指的是最近发表在《自然通讯》上的一项研究，该研究详细描述了一种称为隐植物的单细胞光合生物中的关键蛋白质的分解和重建，隐植物是一种在 10 亿年前进化的藻类。

到目前为止，隐生植物如何获得用于捕获和汇集阳光以供细胞使用的蛋白质，让分子生物学家摸不着头脑。他们已经知道这种蛋白质是有机体用来将阳光转化为能量的一种天线的一部分。他们还知道，隐植物从其光合作用的祖先——红藻那里继承了一些天线成分，而在此之前，蓝藻是地球上最早形成叠层石的生命形式之一。

但是蛋白质结构如何在隐植物自己的新型天线结构中组合在一起仍然是一个谜——直到昆士兰大学和不列颠哥伦比亚大学的 Curmi 教授、博士生 Harry Rathbone 及其同事仔细研究了来自中国研究人员于2020年3月公开的一种祖红藻生物。

解开这个谜团意味着该团队最终可以讲述这种蛋白质如何使这些古老的单细胞生物在最恶劣的条件下茁壮成长——在水下几米，几乎没有阳光直射转化为能量。

Curmi 教授说，这项工作的主要意义在于进化生物学。

“我们提供了两个非常不同的天线系统之间的直接链接，并为发现一个系统如何演变成一个不同的系统打开了大门——这两个系统在捕捉光方面似乎都非常有效，”他说。

“光合藻类具有许多不同的天线系统，这些天线系统具有能够捕获每个可用光光子并将其转移到将光能转化为化学能的光系统蛋白的特性。”

通过努力了解藻类系统，科学家们希望揭示这些光合系统出色的光子效率背后的基本物理原理。Curmi 教授说，这些可能有朝一日会在包括太阳能系统在内的光学设备中得到应用。

为了更好地理解蛋白质发现的重要性，它有助于理解单细胞生物这个非常奇怪的世界，这把格言“你就是你吃的东西”提升到了一个新的水平。

正如研究的主要作者、博士生 Harry Rathbone 解释的那样，当一个单细胞生物吞食另一个时，它会进入一种内共生关系，其中一个生物体生活在另一个生物体内部，两者变得不可分割。

“通常与藻类一起，他们会去寻找一些午餐——另一种藻类——他们会决定不消化它。本质上，他们会让它听命于它，”拉斯伯恩先生说。“而这些新生物可以以同样的方式被其他生物吞噬，有点像俄罗斯套娃。”

事实上，这很可能是大约 15 亿年前，蓝藻被另一种单细胞生物吞食时发生的情况。蓝藻已经有一个复杂的蛋白质天线，可以捕获每一个光子。但是，宿主生物没有消化蓝藻，而是有效地将其剥离成部分——保留了新生物——红藻——用于获取能量的天线蛋白结构。

当另一种生物吞食红藻成为第一个隐生植物时，情况也类似。除了这一次，天线被带到宿主生物体膜的另一侧，并完全重新塑造成新的蛋白质形状，这些蛋白质在捕获太阳光子方面同样有效。

进化

正如 Curmi 教授解释的那样，这些是现代植物和其他光合生物（如海藻）进化的第一步。

“从光合作用的蓝藻到地球上其他所有的光合作用的生物，一些古老的祖先吞噬了一种蓝藻，然后它变成了细胞的叶绿体，将阳光转化为化学能。

“而生物之间的交易有点像，只要你进行光合作用并给我能量，我就会保证你的安全。”

该项目的合作者之一，不列颠哥伦比亚大学植物系荣誉退休教授 Beverley Green 博士说，Curmi 教授能够通过从不同角度解决问题来做出这一发现。

“Paul 的新方法是根据形状而不是氨基酸序列的相似性来寻找祖先蛋白质，”她说。

“通过搜索两种红藻多蛋白复合物的 3D 结构，寻找与隐植物蛋白以相同方式折叠的蛋白质片段，他能够找到缺失的拼图。”