利物浦大學的研究人員進行的一項新研究揭示了古老的光合作用生物–藍藻–是如何進化它們的光合作用機制並組織它們的光合作用膜結構以有效地捕獲太陽光和能量轉導的。

由植物、藻類和藍藻進行的含氧光合作用，為地球上的生命生產能量和氧氣，可以說是最重要的生物過程。藍藻是最早的能進行含氧光合作用的光合生物之一，對地球的大氣和初級生產做出了重大貢獻。

依賴於光的光合作用反應是由一組光合作用複合物和分子容納在專門的細胞膜（稱為類囊體膜）中進行的。雖然一些研究報告了光合作用複合物的結構以及它們如何進行光合作用，但研究人員對原生的類囊體膜是如何構建並進一步發展成為藍藻細胞中的一個功能實體仍然了解甚少。

由利物浦大學系統、分子和綜合生物學研究所的劉魯寧教授領導的研究小組開發了一種方法來控制細胞生長過程中類囊體膜的形成，並使用最先進的蛋白質組學和顯微成像技術來描述類囊體膜的逐步成熟過程。他們的成果發表在《自然通訊》雜誌上。

劉魯寧教授說：“我們對這些發現感到非常興奮。我們的研究畫出了一幅關於光合生物如何產生然後發展其光合膜的圖畫，以及不同的光合成分如何被納入並位於類囊體膜中以進行高效的光合作用–這是這個領域中長期存在的問題。”

該研究的第一作者，Tuomas Huokko博士說：“我們發現，新合成的類囊體膜出現在外圍細胞膜（稱為質膜）和預先存在的類囊體膜層之間。通過檢測類囊體膜發育過程中的蛋白質組成和光合作用活動，我們還發現光合作用蛋白質在空間和時間上都得到了很好的控制，可以進化並組裝成類囊體。”

新研究表明，藍藻的系統膜是一個真正的動態生物系統，可以在細菌生長過程中迅速適應環境變化。在類囊體膜中，光合蛋白可以從一個位置擴散到另一個位置，並形成功能性的“蛋白島”，共同發揮高光合效率。

劉教授補充說：“由於藍藻進行類似植物的光合作用，從藍藻的類囊體上獲得的知識可以擴展到植物的類囊體上。了解自然光合機制是如何在光合作用中進化和調節的，對於調整和提高光合作用性能至關重要。這為在氣候變化和人口增長的情況下，可持續地提高作物植物的光合作用和產量提供了解決方案。我們的研究也可能有利於生物啟發設計和生成人工光合作用裝置，以實現高效的電子傳輸和生物能源生產。”