对于地球上的生命来说，植物在阳光的帮助下进行光合作用并最终产生氧气和化学能至关重要。来自哥廷根和汉诺威的研究人员现在首次成功地以高分辨率3D方式可视化叶绿体复制机，即RNA聚合酶PEP。
详细的结构为这种复杂细胞机器的功能和进化提供了新的见解，它在读取光合作用蛋白质的遗传指令方面发挥着核心作用。
没有光合作用，就不会有可供呼吸的空气——它是地球上所有生命的基础。这个复杂的过程使植物能够利用太阳的光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这种转化发生在叶绿体中，叶绿体是光合作用的核心。
当当今植物细胞的祖先吸收了光合蓝细菌时，叶绿体在进化过程中形成。随着时间的推移，细菌变得越来越依赖其“宿主细胞”，但仍保留了一些重要的功能，例如光合作用和部分细菌基因组。因此，叶绿体仍然有自己的DNA，其中包含“光合作用机器”关键蛋白质的蓝图。
借助PEP来补充能量
“一种独特的分子复制机，一种称为PEP的RNA聚合酶，可以从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令，”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和哥廷根“多尺度生物成像”卓越集群(MBExC)的成员。
Hillen强调，这对于激活光合作用所需的基因至关重要。如果没有有效的PEP，植物就无法进行光合作用并保持白色而不是变绿。
不仅复制过程很复杂，复制机本身也很复杂：它由多亚基核心复合体组成，其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码，以及至少12个相关蛋白质(称为PAP)。植物细胞的核基因组为此提供了蓝图。
“到目前为止，我们已经能够在结构和生物化学上表征叶绿体复制机的一些单独部分，但我们缺乏对其整体结构和各个PAP功能的精确了解，”ThomasPfannschmidt教授说。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所。
详细的3D快照
在密切合作下，HaukeHillen和ThomasPfannschmidt领导的研究人员首次成功以3.5埃(比1毫米小3500万倍)的分辨率以3D方式可视化包含19个亚基的PEP复合物。
“我们从白芥菜中分离出完整的PEP，白芥菜是植物研究中的一种典型模型植物，”Pfannschmidt团队成员、该研究的第一作者之一FrederikAhrens描述道，该研究现已发表在《分子细胞》杂志上。
随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由19部分组成的PEP复合体的详细3D模型。为此，样品被超快速速冷冻。然后，研究人员从多个角度对复印机进行了数千次拍摄，直至原子水平，并使用复杂的计算机计算将它们组合成整体图像。
“结构快照显示，PEP核心与其他RNA聚合酶(例如细菌或高等细胞的细胞核)中的核心相似。然而，它包含介导与PAP相互作用的叶绿体特异性特征。我们发现后者只存在于植物中，而且它们的结构是独一无二的，”PaulaFavorettiVitaldoPrado博士解释道。MPI的学生、MBExC赫塔·斯彭纳学院的成员，也是该研究的第一作者。
科学家们已经假设PAP在读取光合作用基因方面发挥着各自的功能。“正如我们所展示的，这些蛋白质以一种特殊的方式围绕RNA聚合酶核心排列。根据它们的结构，PAP很可能以各种方式与核心复合物相互作用，并参与基因读取过程，”Hillen补充道。
了解光合作用的进化
该研究合作还使用数据库来寻找进化线索。他们想了解观察到的复印机架构是否与其他工厂相似。
“我们的结果表明，所有陆地植物中PEP复合物的结构都是相同的，”Pfannschmidt说。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制生物发生的基本机制。它们对于未来的生物技术应用也可能有价值。
对于地球上的生命来说，植物在阳光的帮助下进行光合作用并最终产生氧气和化学能至关重要。来自哥廷根和汉诺威的研究人员现在首次成功地以高分辨率3D方式可视化叶绿体复制机，即RNA聚合酶PEP。
详细的结构为这种复杂细胞机器的功能和进化提供了新的见解，它在读取光合作用蛋白质的遗传指令方面发挥着核心作用。
没有光合作用，就不会有可供呼吸的空气——它是地球上所有生命的基础。这个复杂的过程使植物能够利用太阳的光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这种转化发生在叶绿体中，叶绿体是光合作用的核心。
当当今植物细胞的祖先吸收了光合蓝细菌时，叶绿体在进化过程中形成。随着时间的推移，细菌变得越来越依赖其“宿主细胞”，但仍保留了一些重要的功能，例如光合作用和部分细菌基因组。因此，叶绿体仍然有自己的DNA，其中包含“光合作用机器”关键蛋白质的蓝图。
借助PEP来补充能量
“一种独特的分子复制机，一种称为PEP的RNA聚合酶，可以从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令，”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和哥廷根“多尺度生物成像”卓越集群(MBExC)的成员。
Hillen强调，这对于激活光合作用所需的基因至关重要。如果没有有效的PEP，植物就无法进行光合作用并保持白色而不是变绿。
不仅复制过程很复杂，复制机本身也很复杂：它由多亚基核心复合体组成，其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码，以及至少12个相关蛋白质(称为PAP)。植物细胞的核基因组为此提供了蓝图。
“到目前为止，我们已经能够在结构和生物化学上表征叶绿体复制机的一些单独部分，但我们缺乏对其整体结构和各个PAP功能的精确了解，”ThomasPfannschmidt教授说。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所。
详细的3D快照
在密切合作下，HaukeHillen和ThomasPfannschmidt领导的研究人员首次成功以3.5埃(比1毫米小3500万倍)的分辨率以3D方式可视化包含19个亚基的PEP复合物。
“我们从白芥菜中分离出完整的PEP，白芥菜是植物研究中的一种典型模型植物，”Pfannschmidt团队成员、该研究的第一作者之一FrederikAhrens描述道，该研究现已发表在《分子细胞》杂志上。
随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由19部分组成的PEP复合体的详细3D模型。为此，样品被超快速速冷冻。然后，研究人员从多个角度对复印机进行了数千次拍摄，直至原子水平，并使用复杂的计算机计算将它们组合成整体图像。
“结构快照显示，PEP核心与其他RNA聚合酶(例如细菌或高等细胞的细胞核)中的核心相似。然而，它包含介导与PAP相互作用的叶绿体特异性特征。我们发现后者只存在于植物中，而且它们的结构是独一无二的，”PaulaFavorettiVitaldoPrado博士解释道。MPI的学生、MBExC赫塔·斯彭纳学院的成员，也是该研究的第一作者。
科学家们已经假设PAP在读取光合作用基因方面发挥着各自的功能。“正如我们所展示的，这些蛋白质以一种特殊的方式围绕RNA聚合酶核心排列。根据它们的结构，PAP很可能以各种方式与核心复合物相互作用，并参与基因读取过程，”Hillen补充道。
了解光合作用的进化
该研究合作还使用数据库来寻找进化线索。他们想了解观察到的复印机架构是否与其他工厂相似。
“我们的结果表明，所有陆地植物中PEP复合物的结构都是相同的，”Pfannschmidt说。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制生物发生的基本机制。它们对于未来的生物技术应用也可能有价值。