10月30日，記者獲悉，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所博士程奇帶領(lǐng)的課題組首次揭示了葉綠素生物合成關(guān)鍵酶——光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶三維晶體結(jié)構(gòu)，對認(rèn)識蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)如何控制重要光驅(qū)動酶的催化作用產(chǎn)生重大突破。該成果日前發(fā)表在頂級科學(xué)雜志《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(zhuǎn)化而來。光依賴型原葉綠素酸酯氧化還原酶作為藍(lán)細(xì)菌、藻類和多細(xì)胞植物葉綠素合成的關(guān)鍵酶。該酶的活性及其基因表達(dá)直接影響黃化幼苗的轉(zhuǎn)綠能力，對綠色植物的生長發(fā)育至關(guān)重要。雖然從發(fā)現(xiàn)這個關(guān)鍵酶至今大約近一百年了，但是科學(xué)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(jié)構(gòu)的神秘面紗，因而對LPOR蛋白的作用機(jī)理也只是處于理論推測階段。LPOR蛋白的結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理對光合作用的理論和應(yīng)用研究意義重大，是該領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)問題之一。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所博士程奇課題組和上海交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士周愛武團(tuán)隊與英國曼切斯特大學(xué)生物技術(shù)研究所博士Nigel Scrutton（奈杰爾·斯克魯頓）團(tuán)隊合作，研究發(fā)現(xiàn)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）蛋白復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)，衍射率分別為1.4,1.8，2.4。LPOR晶體結(jié)構(gòu)的闡明及其LPOR-NADPH-原葉綠素酸酯三元復(fù)合物的精準(zhǔn)建模研究，揭示了POR活性位點如何通過NADPH進(jìn)行局部氫化物轉(zhuǎn)移和沿結(jié)構(gòu)定義的質(zhì)子轉(zhuǎn)移途徑進(jìn)行遠(yuǎn)距離質(zhì)子轉(zhuǎn)移，促進(jìn)光驅(qū)動的原葉綠素減少。

LPOR-NADPH晶體結(jié)構(gòu)

至此證明，該酶活性位置的蛋白結(jié)構(gòu)高度調(diào)諧，促進(jìn)了光化學(xué)作用。它為如何利用光能驅(qū)動酶催化，提供了重要信息。

“本研究提供了LPOR蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)化學(xué)之間關(guān)鍵的缺失環(huán)節(jié)，對光催化的化學(xué)和生物催化劑以及相關(guān)蛋白小分子抑制劑的工程化設(shè)計具有重要意義?！痹摮晒餐ㄓ嵶髡叱唐姹硎?，這項工作也為提供定量的能量（光能到化學(xué)能）轉(zhuǎn)化反應(yīng)的詳細(xì)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(xué)的一大挑戰(zhàn)。

該成果共同第一作者中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所博士孫文麗介紹，此項研究科學(xué)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(xué)轉(zhuǎn)化“閥門”的真實結(jié)構(gòu)及其開關(guān)功能；光驅(qū)動酶的結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)；光依賴型還原酶的動力學(xué)機(jī)制。

“本成果為諸多相關(guān)研究領(lǐng)域奠定研究的基礎(chǔ)——填補(bǔ)了國際上近一百年來光合作用相關(guān)領(lǐng)域的空白（葉綠素生物合成光驅(qū)動型酶LPOR及其輔因子NADPH復(fù)合體的三維晶體結(jié)構(gòu)），具有‘里程碑’的意義；有助于進(jìn)一步完善相關(guān)趨同進(jìn)化過程中的一些關(guān)鍵酶蛋白的進(jìn)化順序（地球鐘）和未來可預(yù)測性走向；有助于ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）依賴型與光依賴（驅(qū)動）型酶工程化設(shè)計（新型固氮酶LUN、新型聚合酶Pol 等等）及相關(guān)領(lǐng)域的合成生物學(xué)基礎(chǔ)（生物固氮/光合作用）等?！背唐姹硎?。

據(jù)悉，該研究得到了國家973項目（2010CB126504）的資助。