來自漢諾威和哥廷根的研究人員成功創建了葉綠體影印機的三維視覺化影像。植物利用陽光進行光合作用產生氧氣和化學能的過程對地球生命的生存至關重要。哥廷根大學和漢諾威大學的科學家現在取得了突破性進展，首次製作出葉綠體複製機制–RNA聚合酶PEP–的高解析度三維視覺化影像。這種錯綜複雜的結構為這重要細胞裝置的運作和演化史提供了全新視角，有助於解讀光合作用蛋白質的遺傳藍圖。

圖片顯示的是植物RNA 聚合酶PEP 的高解析度三維模型，它在光合作用中發揮核心作用。圖片來源：Paula Favoretti Vital do Prado 和Johannes Pauly / MPI-NAT, UMG

沒有光合作用，就沒有空氣可呼吸–光合作用是地球上所有生命的基礎。這個複雜的過程使植物能夠利用太陽光能將二氧化碳和水轉化為化學能和氧氣。這個轉化過程在葉綠體中進行，葉綠體是光合作用的核心。葉綠體是在演化過程中形成的，當時今天植物細胞的祖先吸收了一種光合藍藻。隨著時間的推移，這種細菌越來越依賴它的”宿主細胞”，但仍保留了一些重要的功能，如光合作用和細菌基因組的一部分。因此，葉綠體仍然擁有自己的DNA，其中包含”光合作用機器”關鍵蛋白質的藍圖。

從PEP 到能源

馬克斯-普朗克多學科科學研究所（MPI）研究組組長、哥廷根大學醫學中心教授、哥廷根”多尺度生物成像”（MBExC）英才集群成員豪克-希倫（Hauke Hillen）教授博士解釋說：「一種獨特的分子複製機器，即名為PEP 的RNA 聚合酶，從葉綠體的遺傳物質中讀取遺傳指令。希倫強調說，它對於激活光合作用所需的基因至關重要。沒有正常運作的PEP，植物就不能進行光合作用，就會變成白色而不是綠色。”

不僅複製過程複雜，複製機器本身也很複雜：它由一個多亞基核心複合體（其蛋白質部分在葉綠體基因組中編碼）和至少12 個相關蛋白質（稱為PAPs）組成。植物細胞的核基因組為這些蛋白質提供了藍圖。漢諾威萊布尼茨大學植物學研究所教授Thomas Pfannschmidt 博士說：”到目前為止，我們已經能夠從結構和生物化學角度描述葉綠體複製機的一些單獨部分，但我們還缺乏對其整體結構和單個PAPs功能的精確了解。”

3D 詳細快照

透過密切合作，豪克-希倫（Hauke Hillen）和托馬斯-普範施密特（Thomas Pfannschmidt）領導的研究人員現在首次成功地以3.5 埃（比毫米小3500 萬倍）的分辨率對19 個亞基的PEP 複合物進行了三維可視化。

“我們從植物研究的典型模式植物–白芥子中分離出了完整的PEP，”Pfannschmidt 團隊的成員、現發表在《分子細胞》（Molecular Cell）雜誌上的這項研究的第一作者之一弗雷德里克-阿倫斯（Frederik Ahrens）介紹說。隨後，科學家利用冷凍電子顯微鏡創建了由19 個部分組成的PEP 複合物的詳細三維模型。為此，研究人員對樣本進行了超高速速凍。然後，研究人員從多個角度對複製機進行了數千次拍攝，直至原子級別，並透過複雜的電腦計算將它們組合成一個整體影像。

“結構快照顯示，PEP 核心與其他RNA 聚合酶（如細菌或高等細胞的細胞核）中的核心相似。然而，它包含葉綠體特有的特徵，這些特徵介導了與PAPs 的相互作用。後者只有在植物中才能發現，而且它們的結構非常獨特，”國際植物研究所博士生、MBExC 赫莎-斯波納學院成員、該研究的第一作者Paula Favoretti Vital do Prado 解釋說。科學家已經假定，PAPs 在讀取光合作用基因的過程中發揮著各自的功能。

“我們可以看到，這些蛋白質以一種特殊的方式排列在RNA 聚合酶核心周圍。根據它們的結構，PAPs很可能以各種方式與核心複合體相互作用，並參與基因讀取過程，”Hillen補充說。

了解光合作用的演變

研究小組也利用資料庫尋找演化線索。他們希望找出在其他植物中觀察到的複製機結構是否相似。Pfannschmidt 說：”我們的研究結果表明，PEP 複合物的結構在所有陸生植物中都是相同的。關於葉綠體DNA 複製過程的新發現有助於我們更好地了解光合作用機器生物發生的基本機制。這些發現對未來的生物技術應用也很有價值。”

編譯自: ScitechDaily