对生物合成的新见解：蓝藻如何进化它们的光合机制
蓝藻类囊体膜的插图。图片来源：Luning Liu 等人。
利物浦大学的研究人员进行的一项新研究揭示了古老的光合生物——蓝藻——如何进化它们的光合机制并组织它们的光合膜结构，以有效捕获太阳光和能量转导。
由植物、藻类和蓝细菌进行的有氧光合作用为地球上的生命产生能量和氧气，可以说是最重要的生物过程。蓝藻是最早可以进行有氧光合作用并对地球大气和初级生产做出重大贡献的光养生物之一。
依赖光的光合作用反应是由一组光合作用复合物和容纳在称为类囊体膜的特殊细胞膜中的分子进行的。虽然一些研究报告了光合复合物的结构以及它们如何进行光合作用，但研究人员仍然对天然类囊体膜如何构建和进一步发展成为蓝藻细胞中的功能实体知之甚少。
由大学系统、分子与综合生物学研究所的刘鲁宁教授领导的研究小组开发了一种在细胞生长过程中控制类囊体膜形成的方法，并使用最先进的蛋白质组学和显微成像来表征类囊体膜的逐步成熟过程。他们的研究结果发表在《 自然通讯》杂志上。
“我们对这些发现感到非常兴奋，”刘教授说。“我们的研究描绘了光养生物如何产生并发展它们的光合膜，以及不同的光合成分如何结合并定位在类囊体膜中以进行有效的光合作用——这是该领域长期存在的问题。”
该研究的第一作者 Tuomas Huokko 博士说：“我们发现新合成的类囊体膜出现在外周细胞膜（称为质膜）和预先存在的类囊体层之间。通过检测类囊体发育过程中的蛋白质组成和光合活性，我们还发现光合蛋白在空间和时间上得到了很好的控制，可以进化并组装成类囊体膜。”
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新的研究表明，蓝藻类囊体膜是一个真正动态的生物系统，可以在细菌生长过程中迅速适应环境变化。在类囊体中，光合蛋白可以从一个位置扩散到另一个位置，并形成功能性“蛋白质岛”，共同发挥高光合效率。
“由于蓝藻进行类似植物的光合作用，从蓝藻类囊体膜中获得的知识可以扩展到植物类囊体，”刘教授补充说。“了解自然光合机制如何在光养生物中进化和调节对于调整和增强光合性能至关重要。这为在气候变化和人口增长的背景下可持续地提高作物光合作用和产量提供了解决方案。我们的研究也可能有益于仿生设计和人工光合装置的产生，以实现有效的电子转移和生物能源生产。”