科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程 日本冈山大学教授沈建仁等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。研究报告发表在本周出版的《》期刊上。光合作用是指植物和藻类利用阳光分解水和二氧化碳、产生能量和氧气的反应。名为“光系统Ⅱ”的约 20 个蛋白质与叶绿素组成的复合体吸收光能，从水分子中分离电子和氢离子，形成氧气分子的过程是光合作用的开始。研究团队此前捕捉到水分子被光系统Ⅱ吸收之后的情形，但不知道这一过程中发生了什么。研究团队在 X 射线激光设施“SACLA”中，利用持续数十飞秒(1 秒的 1000 万亿分之一)的 X 射线进行闪光拍摄，捕捉到了光系统Ⅱ蛋白质的快速活动。用可见光照射蛋白质，在促进反应的同时，通过 X 射线照射分析了吸收水分子后立体结构发生变化的情形。 沈教授表示，今后将对光系统Ⅱ的最后一步，也就是出现氧分子的过程进行分析。如果能解析植物的光合作用，并应用其原理，或有望实现人工光合作用。来源 ， 图：圆形的大型放射光设施“SPring-8”和直线型的X射线自由电子激光设施“SACLA” 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat

革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”

革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器” 图片显示的是植物 RNA 聚合酶 PEP 的高分辨率三维模型，它在光合作用中发挥着核心作用。图片来源：Paula Favoretti Vital do Prado 和 Johannes Pauly / MPI-NAT, UMG没有光合作用，就没有空气可呼吸光合作用是地球上所有生命的基础。这一复杂的过程使植物能够利用太阳光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这一转化过程在叶绿体中进行，叶绿体是光合作用的核心。叶绿体是在进化过程中形成的，当时今天植物细胞的祖先吸收了一种光合蓝藻。随着时间的推移，这种细菌越来越依赖于它的"宿主细胞"，但仍保留了一些重要的功能，如光合作用和细菌基因组的一部分。因此，叶绿体仍然拥有自己的DNA，其中包含"光合作用机器"关键蛋白质的蓝图。从 PEP 到能源马克斯-普朗克多学科科学研究所（MPI）研究组组长、哥廷根大学医学中心教授、哥廷根"多尺度生物成像"（MBExC）英才集群成员豪克-希伦（Hauke Hillen）教授博士解释说："一种独特的分子复制机器，即名为 PEP 的 RNA 聚合酶，从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令。希伦强调说，它对于激活光合作用所需的基因至关重要。没有正常运作的 PEP，植物就不能进行光合作用，就会变成白色而不是绿色。"不仅复制过程复杂，复制机器本身也很复杂：它由一个多亚基核心复合体（其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码）和至少 12 个相关蛋白质（称为 PAPs）组成。植物细胞的核基因组为这些蛋白提供了蓝图。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所教授 Thomas Pfannschmidt 博士说："到目前为止，我们已经能够从结构和生物化学角度描述叶绿体复制机的一些单独部分，但我们还缺乏对其整体结构和单个 PAPs 功能的精确了解。"3D 详细快照通过密切合作，豪克-希伦（Hauke Hillen）和托马斯-普范施密特（Thomas Pfannschmidt）领导的研究人员现在首次成功地以 3.5 埃（比毫米小 3500 万倍）的分辨率对 19 个亚基的 PEP 复合物进行了三维可视化。"我们从植物研究的典型模式植物白芥子中分离出了完整的 PEP，"Pfannschmidt 团队的成员、现发表在《分子细胞》（Molecular Cell）杂志上的这项研究的第一作者之一弗雷德里克-阿伦斯（Frederik Ahrens）介绍说。随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由 19 个部分组成的 PEP 复合物的详细三维模型。为此，研究人员对样本进行了超高速速冻。然后，研究人员从多个角度对复制机进行了数千次拍摄，直至原子级别，并通过复杂的计算机计算将它们组合成一个整体图像。"结构快照显示，PEP 核心与其他 RNA 聚合酶（如细菌或高等细胞的细胞核）中的核心相似。然而，它包含叶绿体特有的特征，这些特征介导了与 PAPs 的相互作用。后者只有在植物中才能发现，而且它们的结构非常独特，"国际植物研究所博士生、MBExC 赫莎-斯波纳学院成员、该研究的第一作者 Paula Favoretti Vital do Prado 解释说。科学家们已经假定，PAPs 在读取光合作用基因的过程中发挥着各自的功能。"我们可以看到，这些蛋白质以一种特殊的方式排列在 RNA 聚合酶核心周围。根据它们的结构，PAPs很可能以各种方式与核心复合体相互作用，并参与基因读取过程，"Hillen补充说。了解光合作用的演变研究小组还利用数据库寻找进化线索。他们希望找出在其他植物中观察到的复制机结构是否相似。Pfannschmidt 说："我们的研究结果表明，PEP 复合物的结构在所有陆生植物中都是相同的。关于叶绿体 DNA 复制过程的新发现有助于我们更好地了解光合作用机器生物发生的基本机制。这些发现对未来的生物技术应用也很有价值。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家可能发现了乙型肝炎病毒（HBV）的致命弱点

科学家可能发现了乙型肝炎病毒（HBV）的致命弱点 乙型肝炎病毒（HBV）微小、危险、传染性强。它慢性感染约 2.96 亿人，每年夺走约 100 万人的生命。这种难以捉摸的病毒主要针对肝脏，在导致肝硬化或癌症之前往往没有任何症状。大多数治疗方法都试图抑制病毒的聚合酶（pol）蛋白。但这些治疗都是终身性的，无法根治。现在，洛克菲勒大学查尔斯-M-赖斯实验室的研究人员揭示了前所未见的机制，这可能会带来治疗乙型肝炎病毒的新方法。他们在《细胞》（Cell）杂志上发表了这一研究成果。"目前的抑制剂可以减轻感染，但无法根除感染，"莱斯大学病毒学和传染病实验室研究助理教授、论文资深作者比尔-施耐德（Bill Schneider）说。"基础科学可以提供新的见解，并带来不同的策略。这就是我们重新回到绘图板上，进一步了解这种病毒的原因"。HBV 基因组异常保守，超过一半的基因组包含重叠阅读框架，即核苷酸编码多种蛋白质的区域。由于其中一个阅读框架内的单个突变会导致另一个阅读框架发生变化，因此病毒必须严格控制这些错综复杂的区域，以防止潜在的灾难性影响。然而，HBV 显然有足够的灵活性来适应新的环境和宿主。施耐德说："它在人类中是一种非常成功的病毒，它的近亲会感染各种鸟类和哺乳动物。"人们对 HBV 如何在基因的刚性和灵活性之间取得微妙的平衡一直知之甚少，因为这些重叠的框架很难区分开来。它们的集体作用掩盖了单个蛋白质的机制。在 HBV 复制过程中发挥重要作用的 pol 蛋白一直是研究人员关注的焦点。它是一种多用途分子，其重要性体现在它的体积上；它比其他病毒蛋白大得多，包裹着三分之二的 HBV 循环基因组，与其他三种蛋白共享一个重叠阅读框。为了更好地了解其动态成分，莱斯的研究小组采用了他们去年开发的一种新方法，将RNA送入培养细胞以产生病毒DNA、蛋白质和其他产物。这种方法使他们能够解除或分离重叠阅读框中蛋白质的功能，从而更清楚地了解 Pol。"想象一下，两张不同文字的透明纸叠在一起。如果你能取下其中的一张，就会更容易阅读，"施耐德说。"这就是我们的 RNA 传输系统所能做到的。"接下来，他们使用了深度突变扫描一种可以揭示数以万计的蛋白质变体的机制和行为的高通量方法。他们利用这种方法测试了 pol 蛋白质中几乎所有可能的变体，并了解了它对每种变化的反应。他们的第一个意外发现是，Pol 蛋白的末端对名为脯氨酸的氨基酸有严格要求。核糖体是制造蛋白质的分子机器，它沿着信使 RNA 分子的长度行进，并将代码翻译成氨基酸链。连续出现多个脯氨酸会让核糖体停滞不前。当核糖体停在代码中的某个特定位置时，就会暂时阻止翻译。果然，他们发现，制造 pol 蛋白的核糖体在末端前就停止了，蛋白质被拴在核糖体上，就像气球拴在孩子的手上一样，"它就是不肯放手。"研究认为，这种停滞可能使蛋白质有时间正确折叠以完成其工作，更重要的是，增加了它与正确的 RNA（即编码它的 RNA）结合的机会。只有这样，蛋白质才会被释放出来。人们早就知道，pol 蛋白更喜欢反向转录它所来自的 RNA（称为顺式偏好），而不是寻找另一种 RNA 进行复制，但它是如何通过核糖体停滞来实现这一点的，直到现在人们还不得而知。这一过程可能是 pol 蛋白只传播经过验证的 RNA 的一种方式这也是"如果坏了，就不要复制"的一个例子。也可能是为了提高效率。他说："Pol 蛋白的制造数量并不多，因此病毒希望确保当制造出一种蛋白时，它能发挥其作用。系链机制的顺式选择可能有助于确保蛋白质不会在细胞中四处游荡，寻找其同源的 RNA。这是一个更有效的过程。"在下一阶段的研究中，他们将探索如何操纵 pol 的顺式偏好。一旦了解了一种机制，就有能力扰乱它，并找出后果是什么。一种方法是通过突变引发暂停的脯氨酸来防止核糖体停滞。这可能会抑制病毒，并使病毒更难产生抗药性。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1016/j.cell.2024.04.008 ... PC版： 手机版：

科学家用尖端人工智能揭开蛋白质的秘密

科学家用尖端人工智能揭开蛋白质的秘密 该工具由 KAUST 生物信息学研究员 Maxat Kulmanov 及其同事开发，在预测蛋白质功能方面优于现有的分析方法，甚至能够分析现有数据集中没有明确匹配的蛋白质。该模型被称为 DeepGO-SE，它利用了类似于 Chat-GPT 等生成式人工智能工具所使用的大型语言模型。然后，它根据蛋白质工作方式的一般生物学原理，利用逻辑蕴含得出关于分子功能的有意义的结论。从本质上讲，它通过构建部分世界模型（在本例中为蛋白质功能），并根据常识和推理推断出在这些世界模型中应该发生的事情，从而赋予计算机逻辑处理结果的能力。一种新的人工智能（AI）工具能对未知蛋白质的功能进行逻辑推理，有望帮助科学家揭开细胞内部的奥秘。图片来源：© 2024 KAUST; Ivan Gromicho他补充说："这种方法有很多应用前景，"KAUST 生物本体论研究小组负责人罗伯特-霍恩多夫（Robert Hoehndorf）说，"特别是当需要对神经网络或其他机器学习模型生成的数据和假设进行推理时。"库尔曼诺夫和霍恩多夫与KAUST的斯特凡-阿罗德（Stefan Arold）以及瑞士生物信息学研究所的研究人员合作，评估了该模型破译那些在体内作用未知的蛋白质功能的能力。该工具成功地利用了一种鲜为人知的蛋白质的氨基酸序列数据及其与其他蛋白质的已知相互作用，并精确地预测了其分子功能。该模型非常精确，在一次国际功能预测工具竞赛中，DeepGO-SE 在 1600 多种算法中名列前 20 位。KAUST 团队目前正在利用这一工具研究在沙特阿拉伯沙漠极端环境中生长的植物中发现的神秘蛋白质的功能。他们希望这些发现将有助于确定生物技术应用中的新型蛋白质，并希望其他研究人员也能使用这一工具。库尔曼诺夫解释说："DeepGO-SE分析未表征蛋白质的能力可以促进药物发现、代谢通路分析、疾病关联、蛋白质工程、筛选感兴趣的特定蛋白质等任务。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现制作良好植物性蛋白质的“终极方法”

科学家发现制作良好植物性蛋白质的“终极方法” 人们普遍认为，减少肉类和奶酪的消费，转而食用植物食品是有益的。然而，当我们在超市的冷藏区面对传统的动物性食品和环保的替代蛋白质之间做出选择时，我们并不总是做出具有环保意识的选择。尽管现在很多植物性食品都有很好的风味，但往往缺乏"正确"的口感。此外，一些植物蛋白替代品在加工过程中会消耗资源，因此并不具有可持续性。但是，如果有可能制造出可持续的、富含蛋白质且口感适宜的食品呢？哥本哈根大学的最新研究为这一设想提供了动力。关键是什么？蓝绿藻。这种蓝绿藻并不是夏天在海中成为毒汤的那种臭名昭著的蓝绿藻，而是无毒的蓝绿藻。在玻璃管中培养微藻的封闭式光生物反应器。图片来源：IGV 生物技术公司，CC BY-SA 3.0 DEED"蓝绿藻是一种活的生物体，我们已经能够让它们产生一种它们无法自然产生的蛋白质。尤其令人兴奋的是，这种蛋白质是以纤维状形成的，有点像肉类纤维。"食品科学系的 Poul Erik Jensen 教授说："我们有可能将这些纤维用于植物性肉类、奶酪或其他一些我们追求特殊口感的新型食品中。"在一项新的研究中，詹森和哥本哈根大学等机构的研究人员表明，通过将外来基因插入蓝藻，蓝藻可以作为新蛋白质的宿主生物。在蓝藻体内，这种蛋白质以细线或纳米纤维的形式组织起来。最少的加工 - 最大的可持续性全世界的科学家都把蓝藻和其他微藻作为潜在的替代食品。部分原因是蓝藻和其他微藻与植物一样，通过光合作用生长，部分原因是它们本身含有大量蛋白质和有益健康的多不饱和脂肪酸。"能够操纵一个活的生物体生产出一种新型蛋白质，并将其自身组织成线，这种程度是很少见的，而且非常有前途。此外，由于蓝藻依靠水、大气中的二氧化碳和太阳光生存，因此它是一种很容易持续生长的生物。这项成果赋予蓝藻作为可持续原料的更大潜力，"专门从事植物性食品和植物生物化学研究的普尔-埃里克-延森（Poul Erik Jensen）热情洋溢地说道。世界各地的许多研究人员都在努力为植物性食品（如豌豆和大豆）开发富含蛋白质的质地增强剂。然而，这需要大量的加工过程，因为需要将种子磨碎并从中提取蛋白质，以获得足够高的蛋白质浓度。"如果我们能在食品中利用整个蓝藻，而不仅仅是蛋白质纤维，就能最大限度地减少所需的加工量。"詹森说："在食品研究中，我们力求避免过多的加工，因为这不仅会影响食材的营养价值，还会消耗大量能源。"“明天的牛”教授强调说，从蓝藻开始生产蛋白质链还需要相当长的时间。首先，研究人员需要弄清楚如何优化蓝藻蛋白质纤维的生产。但詹森对此持乐观态度："我们需要对这些生物进行改良，以生产更多的蛋白质纤维，同时'劫持'蓝藻为我们工作。这有点像我们劫持奶牛为我们生产大量牛奶。只不过在这里，我们避免了任何有关动物福利的伦理考虑。我们不会在明天就达到目标，因为我们必须学会解决生物体内的一些新陈代谢难题。但我们已经在这个过程中了，我相信我们一定能成功，如果是这样，这就是制造蛋白质的终极方法。"一些国家已经开始工业化种植螺旋藻等蓝藻，主要用于健康食品。生产通常在露天下的“赛道池塘”中进行，或在光生物反应器室中进行，生物在玻璃管中生长。詹森认为，丹麦是建立"微藻工厂"生产加工蓝藻的理想之地。丹麦拥有具备适当技能的生物技术公司和高效的农业部门。"丹麦农业原则上可以生产蓝藻和其他微藻，就像今天生产乳制品一样。可以每天收获或挤出一部分细胞作为新鲜的生物质。通过浓缩蓝藻细胞，你可以得到一种看起来像香蒜酱，但含有蛋白质链的东西。只需极少的加工，它就可以直接加入食品中。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员通过低温电子显微镜揭示了复制酶的原子结构

研究人员通过低温电子显微镜揭示了复制酶的原子结构 图中显示的是一种被认为与生命起源有关的 RNA 聚合酶核糖酶。图中的核糖酶被冰冻起来，象征着它是如何被及时冷冻以进行成像的，以及它是如何在冰冷的条件下发挥最佳作用的。黄/红光突出显示了活性位点，透明显示了模板-产物螺旋的拟议位置。图片来源：Rune Kidmose错综复杂的生命分子机制是如何从简单的起点产生的，这是一个长期存在的问题。一些证据表明，在原始的"RNA 世界"中，"RNA 复制机"（即所谓的复制酶）开始复制自身和其他 RNA 分子，从而启动了进化和生命本身。然而，古老的复制酶似乎已经消失在时间的长河中，它在现代生物学中的作用已被更高效的蛋白质机器所取代。为了支持"RNA 世界"假说，研究人员一直试图在实验室中重新创造出一种等效的 RNA 复制酶。虽然已经发现了这种古代复制酶的分子"二重身"，但由于难以确定动态 RNA 分子的结构，它们的详细分子结构和作用方式仍然难以确定。嗜冰 RNA 复制酶的结构在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的一篇研究论文中，一个研究小组首次利用低温电子显微镜（cryo-EM）报告了 RNA 复制酶的原子结构。正在研究的 RNA 复制酶是由 Holliger 实验室（英国剑桥大学 MRC LMB）开发的，能够在共晶冰相（类似于冰渣）中利用核苷酸三联体高效复制长模板。现任奥胡斯大学助理教授的 Emil L. Kristoffersen 从霍利格实验室博士后学习归来后，促成了与安德森实验室（丹麦奥胡斯大学）的合作，通过低温电子显微镜确定了 RNA 复制酶的结构。有趣的是，该结构与基于蛋白质的聚合酶有着惊人的相似之处，其模板结合、聚合和底物分辨结构域的分子形状类似于一只张开的手。"我们惊讶地发现，我们在试管中人工进化出的核糖酶竟然具有天然存在的蛋白质聚合酶的特征。"英国剑桥大学 MRC LMB 项目负责人 Philipp Holliger 解释说："这表明，无论材料是 RNA 还是蛋白质，进化都能发现趋同的分子解决方案。"RNA 世界中的 RNA 合成模型为了更好地了解 RNA 复制酶的工作原理，研究人员进行了全面的突变研究，以突出 RNA 结构的关键要素。这项分析证实了催化位点的特征，同时也揭示了两个所谓的"接吻环"相互作用的重要性，这两个相互作用将支架亚基和催化亚基结合在一起，同时也揭示了一个特定的RNA结构域对保真度的重要性，即复制酶复制RNA链的准确性。虽然研究人员无法确定复制酶在积极复制 RNA 时的"作用中"结构，但他们还是建立了一个与所有实验数据相一致的基于 RNA 的 RNA 复制模型。"冷冻电镜是研究 RNA 分子结构和动态特征的一种强大方法。通过将低温电子显微镜数据与实验相结合，我们能够建立这种复杂的 RNA 机器内部运作的模型。"Ewan McRae 告诉我们，他在奥胡斯大学安德森实验室做博士后时曾从事过低温电子显微镜工作，现在已经在美国得克萨斯州休斯顿卫理公会研究所成立了自己的研究小组。RNA 纳米技术和医学的灵感来源这项研究令人兴奋地首次看到了被认为位于生命之树根部的 RNA 复制酶。然而，目前开发的基于 RNA 的复制酶效率很低（与基于蛋白质的聚合酶相比），还不能维持自身的复制和进化。这项研究提供的结构洞察力可能有助于设计更高效的复制机制，从而让我们更接近在试管中开发 RNA 世界的情景。"通过使用可能存在于 RNA 世界中的化学修饰，RNA 复制酶的特性可能会得到进一步改善。"丹麦奥胡斯大学副教授 Ebbe Sloth Andersen 解释说："此外，对生命起源的研究还发现了几种新型 RNA 构建模块，可用于新兴的 RNA 纳米技术和医学领域。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：