科学家发现光合作用的原子级秘密

科学家发现光合作用的原子级秘密 了解光合蛋白质的生产论文的共同作者、研究小组组长迈克尔-韦伯斯特（Michael Webster）博士说："叶绿体基因的转录是制造光合蛋白的基本步骤，光合蛋白为植物提供生长所需的能量。我们希望通过更好地了解这一过程在详细的分子水平上能够帮助研究人员开发出光合作用更强的植物。这项工作最重要的成果是创建了一个有用的资源。研究人员可以下载我们的叶绿体聚合酶原子模型，并利用它提出自己关于叶绿体聚合酶如何发挥作用的假设，以及检验这些假设的实验策略。"光合作用是在叶绿体内进行的，叶绿体是植物细胞内的一个小区块，它含有自己的基因组，反映了叶绿体在被植物吞噬和合并之前曾是自由生活的光合细菌。看到植物叶绿体中转录光合基因的聚合酶分子。用电子显微镜收集到的单个分子图像经过分类和排列，揭示了蛋白质复合体结构架构的细节。资料来源：迈克尔-韦伯斯特和伊斯卡-普拉马尼克约翰-英纳斯中心的韦伯斯特小组研究植物如何制造光合蛋白，光合蛋白是实现这一优雅化学反应的分子机器，它将大气中的二氧化碳和水转化为单糖，并产生氧气作为副产品。蛋白质生产的第一阶段是转录，通过读取基因产生"信使RNA"。转录过程由一种名为 RNA 聚合酶的酶完成。叶绿体 RNA 聚合酶的复杂性50 年前，人们发现叶绿体中含有自己独特的 RNA 聚合酶。从那时起，科学家们就对这种酶的复杂程度感到惊讶。它比它的祖先细菌 RNA 聚合酶有更多的亚基，甚至比人类的 RNA 聚合酶还要大。韦伯斯特小组希望了解为什么叶绿体具有如此复杂的 RNA 聚合酶。为此，他们需要对叶绿体 RNA 聚合酶的结构构造进行可视化。研究小组使用一种称为低温电子显微镜（cryo-EM）的方法，对从白芥子植物中纯化的叶绿体RNA聚合酶样本进行成像。原子级分析的启示通过处理这些图像，他们建立了一个包含分子复合体中 5 万多个原子位置的模型。RNA 聚合酶复合体由 21 个亚基组成，分别在核基因组和叶绿体基因组中编码。研究人员对这一结构进行了仔细分析，从而开始解释这些元件的功能。这个模型让他们确定了一种蛋白质，它能在DNA转录过程中与DNA相互作用，并引导DNA进入酶的活性位点。另一种成分可以与正在产生的 mRNA 相互作用，从而在 mRNA 转化为蛋白质之前保护它不被蛋白质降解。韦伯斯特博士说："我们知道叶绿体 RNA 聚合酶的每一个组成部分都起着至关重要的作用，因为缺少其中任何一个组成部分的植物都不能制造光合蛋白质，因此也就不能变绿。我们正在仔细研究原子模型，以确定装配的 21 个组件中每个组件的作用。"第一作者Ángel Vergara-Cruces博士说："现在我们有了一个结构模型，下一步就是确认叶绿体转录蛋白的作用。通过揭示叶绿体转录的机制，我们的研究有助于深入了解叶绿体在植物生长、适应和应对环境条件中的作用。"共同第一作者伊斯卡-普拉马尼克（Ishika Pramanick）博士说："从极具挑战性的蛋白质纯化开始，到为这一巨大复杂的蛋白质拍摄令人惊叹的低温电子显微镜图像，再到最终看到我们的工作成果的印刷版本，在这一非凡的工作历程中有许多令人惊喜的时刻。"韦伯斯特博士总结道："高温、干旱和盐度限制了植物进行光合作用的能力。面对环境压力仍能可靠地生产光合蛋白的植物可能会以不同的方式控制叶绿体转录。我们期待看到我们的研究成果被用于开发更强健作物的重要工作中。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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：

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动 2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。""我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了 X 射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。水样照片： 为了记录 X 射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约 1 厘米宽的液态水薄片，作为 X 射线光束的目标。图片来源：Emily Nienhuis | 太平洋西北国家实验室亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。目前的研究以获得 2023 年诺贝尔物理学奖的新科学阿秒物理学为基础。阿秒 X 射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（Ago Marinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（James Cryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右： SLAC 的 David J. Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的 Kai Li、西北太平洋国家实验室 IDREAM 主任 Carolyn Pearce、SLAC 的 Ming-Fu Lin 和 ANL 的 Shuai Li。图片来源：Carolyn Pearce | 太平洋西北国家实验室这项研究中开发的技术液体中的全 X 射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被 X 射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。为了实现这一发现，PNNL 的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC 的 X 射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。在 2021 年至 2022 年全球大流行期间，PNNL 团队利用在 SLAC 开发的技术，在 X 射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。PNNL 的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（Emily Nienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦 X 射线。这种能力是在 LCLS 开发出来的。在 PNNL，Nienhuis 演示了这种技术也可用于研究 IDREAM EFRC 核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"收集到 X 射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释 X 射线信号的知识，再现了在 SLAC 观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（Robin Santra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。"利用华盛顿大学的 Hyak 超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学 Larry R. Dalton 化学讲座教授、PNNL 实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后Shuai Li在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（Gilles Doumy）和芝加哥大学的研究生李凯（Kai Li）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

利用人工光合作用种植作物

利用人工光合作用种植作物 光合作用通常是指绿色植物吸收光能后，把二氧化碳和水转化为有机物（包括可供食用的部分）和氧气。但这个过程的能量效率非常低只有约1%的太阳能会被植物利用。近日，通过一种人工光合作用的方法，将二氧化碳和水转化为了食物。 研究人员利用的是他们自主开发的两步串联电解装置，以及两步电催化方法：首先将二氧化碳和水转化为醋酸盐，然后在黑暗环境下培养可制造食物的生物体，这些生物体能够通过“吃”醋酸盐来繁殖。其中，电能是利用太阳能电池板产生的。研究人员表示，这种有机-无机混合系统可以将能量转化效率（太阳能到“食物”）最多提升到植物的18倍。 他们还探究了利用该技术种植农作物的潜力，结果发现，豇豆、番茄、烟草、大米、油菜和绿豌豆都能在黑暗环境中，使用醋酸盐中的碳来生长。研究人员表示，这种人工光合作用的方式或可以用在城市中以便种植作物，或用于未来的太空探索。

中国科学家在月壤中首次发现分子水

中国科学家在月壤中首次发现分子水 中国科学家在嫦娥五号带回的月球样本中，发现了月球上一种富含水分子和铵的未知矿物晶体ULM-1。这标志着科学家首次在月壤中发现了分子水，揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式。研究报告发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）期刊上。月球上是否存在水，对于月球演化研究和资源开发至关重要。嫦娥 5 号采集的月壤样品属于最年轻的玄武岩，是迄今为止纬度最高的月球样品，为月球水的研究提供了新机遇。基于单晶衍射和化学分析发现，这些月球水和铵以一种成分为(NH4,K,Cs,Rb) MgCl3·6H2O的水合矿物形式出现。该矿物分子式中含有多达六个结晶水，水分子在样品中的质量比高达 41%。红外光谱和拉曼光谱上均可以清晰地观察到源于水分子和铵的特征振动峰。晶体的电荷密度可以清晰地看到水分子中的氢。ULM-1的晶体结构和组成与地球上近年来发现的一种稀有火山口矿物相似。 via Solidot

MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量

MIT科学家首次捕捉到超流体中像声波一样运动的热量 麻省理工学院的科学家们直接观测到了热量在超流体中的奇怪作用 麻省理工学院 Jose-Luis Olivares超流体是一种罕见的物质状态，它的粘度为零，这意味着物质可以在没有任何阻力或摩擦的情况下流动。人们早就预言，热量应该能够像声波一样在超流体中流动，因此被称为"第二声音"，但直到现在才被直接观测到。"这就好比你有一缸水，让其中一半几乎沸腾，"该研究的作者、助理教授理查德-弗莱彻说。"如果你接着观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边热了，然后另一边又热了，热量来回流动，而水看起来完全静止。第一种声音说明了声波如何在普通流体和超流体中共同震荡第二种声音说明了热量是如何通过超流体从一端振荡到另一端的，正如新研究中所探测到的那样为了给这一现象成像，研究人员必须创造一种全新的热量探测方式。通常情况下会使用红外线传感器，但制造超流体需要将量子气体冷却到几乎绝对零度，而红外线辐射在如此低的温度下是不会发射的。因此，研究小组转而使用无线电。研究人员使用的量子气体由锂-6 费米子组成，结果发现，这些费米子的温度越高，它们共振的频率就越高。研究小组将较高的无线电频率施加到气体中，这将导致其中较热的费米子产生响应共振。通过追踪哪些费米子在不同时间产生了共振，科学家们就能在热波来回摆动时捕捉到"第二种声音"。该研究的第一作者马丁-茨维尔林（Martin Zwierlein）说："我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照，并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"研究小组表示，观察这种奇怪的现象可以帮助科学家更好地理解包括超导体和中子星在内的稀有物质状态的热传导性，进而帮助他们设计出更好的系统。这项研究发表在《科学》杂志上。 ... PC版： 手机版：