（图片来源：Pixabay）
通过近距离观察菠菜制糖机器中的蛋白质齿轮，我们向提高粮食作物产量迈进了一步。利用电子显微镜所能获得的最高分辨率的图像，研究人员描绘出了该机器中关键复合体细胞色素b6f的轮廓。
研究小组发表于《自然》杂志的论文中提到，理解这种蛋白质复合体的构造有助于科学家对其进行再设计，以提高菠菜或其他植物的作物生产效率，或将更有效地为全球不断增加的人口生产更多的粮食。
获得细胞色素b6f的结构细节“非常令人兴奋”，玛丽亚·叶尔马科娃（Maria Ermakova）说，她是澳大利亚国立大学ARC转化光合作用卓越研究中心的博士后研究员，并未参与这项研究。她说，这些发现并未完全回答复合体如何运转这一长期悬而未决的问题，但为阐明其结构和活性之间的关系奠定了基础。
英国谢菲尔德大学的生物化学家、该论文的共同通讯作者马特·约翰逊（Matt Johnson）说，细胞色素b6f的一个已知功能是它在光合作用“瓶颈”中的作用。作为糖类产生过程中的限速步骤，该复合体是调整效率的目标之一。约翰逊指出，其他一些关于细胞色素b6f的研究也表明，提高其组成蛋白的产量可以促进植物的生长。
作为光合作用的第一步，阳光启动植物的制糖工厂，激活叶绿素中的电子。然后，植物利用捕获的能量生产糖，该过程涉及两个连续的反应系统。这些糖对植物的生长至关重要，所以，高效的光合作用也意味着高效稳健的产量。
细胞色素b6f复合体连接光合作用的两个主要反应系统，并处理太阳能激发的电子。一部分电子的能量会引导带正电荷的质子进入一个类似电池的储存区域，以备日后需要。随后，这些质子流为分子的组装提供动力，这些分子将为糖的形成提供能量。
细胞色素b6f还将为这些被激发的电子分配了两种命运：它可以将电子从第一个主要的光合作用系统推到第二个主要的光合作用系统，植物在第二个主要的光合作用系统中生成糖；也可以将它们循环起来，推动更多的质子进入储存区域。
约翰逊与其同事使用低温电子显微镜（cryo-EM）放大细胞色素b6f。从随处可见的菠菜叶中提取和纯化复合体后，他们将含有纯化复合体的溶液置于华夫饼状的碳网格中，并将整个复合体浸入冷却至零下190摄氏度的乙烷液体中。
通过向样品温和地发射电子，研究人员创建了复合体的轨迹图，并将其融合成三维图像。这些图像显示了细化到单个分子水平的细胞色素b6f的组成结构。该过程还让研究人员捕捉到了处于不同功能阶段的功能复合体，这些形状的变化可能会调节它对电子和质子的作用。
例如，他们发现叶绿素有一个可能决定细胞色素b6f中电子命运的分子尾巴。他们观察到尾巴与复合体相互作用，并处于两种可能的位置：一种情况下，它会阻止携带电子的分子在细胞色素b6f上停留；另一种情况下，尾巴改变形状，为分子的结合腾出了空间以便其获得电子。
约翰逊和他的同事们写道，这些结构细节指出了细胞色素b6f如何根据环境信号改变形状。这些变化会在植物需要时减缓光合作用以避免伤害，如在光照过度的情况下。
但约翰逊表示，通过阻断这一过程去理解这些变化还可以“为改进提供更复杂的目标”。他和他的合著者写道，操纵光合作用对于提高农作物产量，以确保到2050年为97亿人提供足够的食物至关重要。
作者：Emily Willingham
翻译：张国荣
审校：施怿
引进来源：科学美国人
本文来自：环球科学
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