科技日報記者 馬愛平
10月30日，記者獲悉，中國農業科學院生物技術研究所博士程奇帶領的課題組首次揭示了葉綠素生物合成關鍵酶——光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶三維晶體結構，對認識蛋白質結構如何控制重要光驅動酶的催化作用產生重大突破。該成果日前發表在頂級科學雜誌《Nature》上。
“萬物生長靠太陽”，靠的就是光合作用，一切能為地球上生命所用的能量都是由太陽的光能轉化而來。光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶作為藍細菌、藻類和多細胞植物葉綠素合成的關鍵酶。該酶的活性及其基因表達直接影響黃化幼苗的轉綠能力，對綠色植物的生長髮育至關重要。雖然從發現這個關鍵酶至今大約近一百年了，但是科學家們卻一直沒有能夠揭開LPOR蛋白（光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶）結構的神秘面紗，因而對LPOR蛋白的作用機理也只是處於理論推測階段。LPOR蛋白的結構及作用機理對光合作用的理論和應用研究意義重大，是該領域亟待解決的重大科學問題之一。
中國農業科學院生物技術研究所博士程奇課題組和上海交通大學基礎醫學院博士周愛武團隊與英國曼切斯特大學生物技術研究所博士Nigel Scrutton（奈傑爾·斯克魯頓）團隊合作，研究發現了了LPOR酶單體，LPOR-NADPH（光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶-煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）蛋白複合體的晶體結構，衍射率分別為1.4Å,1.8Å，2.4Å。LPOR晶體結構的闡明及其LPOR-NADPH-原葉綠素酸酯三元複合物的精準建模研究，揭示了POR活性位點如何通過NADPH進行局部氫化物轉移和沿結構定義的質子轉移途徑進行遠距離質子轉移，促進光驅動的原葉綠素減少。
LPOR-NADPH晶體結構
至此證明，該酶活性位置的蛋白結構高度調諧，促進了光化學作用。它為如何利用光能驅動酶催化，提供了重要信息。
“本研究提供了LPOR蛋白質結構和激發態化學之間關鍵的缺失環節，對光催化的化學和生物催化劑以及相關蛋白小分子抑制劑的工程化設計具有重要意義。”該成果共同通訊作者程奇表示，這項工作也為提供定量的能量（光能到化學能）轉化反應的詳細計算分析鋪平了道路，對該催化作用的描述將更加完整，這也是目前酶學的一大挑戰。
該成果共同第一作者中國農業科學院生物技術研究所博士孫文麗介紹，此項研究科學意義重大，由此揭秘了太陽提供給地球上一切生命的終極能量來源的生物學轉化“閥門”的真實結構及其開關功能；光驅動酶的結構學基礎；光依賴型還原酶的動力學機制。
“本成果為諸多相關研究領域奠定研究的基礎——填補了國際上近一百年來光合作用相關領域的空白（葉綠素生物合成光驅動型酶LPOR及其輔因子NADPH複合體的三維晶體結構），具有‘里程碑’的意義；有助於進一步完善相關趨同進化過程中的一些關鍵酶蛋白的進化順序（地球鍾）和未來可預測性走向；有助於ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）依賴型與光依賴（驅動）型酶工程化設計（新型固氮酶LUN、新型聚合酶Pol 等等）及相關領域的合成生物學基礎（生物固氮/光合作用）等。”程奇表示。
Nigel Scrutton教授來中國農科院生物技術研究所學術交流
據悉，該研究得到了國家973項目（2010CB126504）的資助。
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