光合作用的秘密在原子水平上被发现，为了解十亿多年前绿化地球的植物超级力量提供了重要的新线索。约翰英尼斯中心的研究人员使用一种称为冷冻电镜的先进显微镜方法来探索光合蛋白质的制造过程。
这项发表在《细胞》杂志上的研究提出了一个模型和资源，以刺激该领域的进一步基础发现，并帮助开发更具弹性的作物的长期目标。
小组负责人兼该论文的合著者迈克尔·韦伯斯特博士说：“叶绿体基因的转录是制造光合蛋白的基本步骤，为植物提供生长所需的能量。我们希望通过更好地理解这一过程——在详细的分子水平上——我们将为研究人员提供装备，以开发具有更强光合作用活性的植物。
“这项工作最重要的成果是创建了有用的资源。研究人员可以下载我们的叶绿体聚合酶原子模型，并用它来产生自己的假设，即它如何发挥作用，以及测试它们的实验策略。”
光合作用发生在叶绿体内，叶绿体是植物细胞内包含自己基因组的小隔间，反映了它们在被植物吞噬和吸收之前作为自由生活的光合细菌的过去。
约翰·英尼斯中心的韦伯斯特小组研究植物如何产生光合蛋白质，这种分子机器使这种优雅的化学反应发生，将大气中的二氧化碳和水转化为简单的糖，并产生副产品氧气。蛋白质生产的第一个阶段是转录，其中基因被读取以产生“信使RNA”。这个转录过程是由一种叫做RNA聚合酶的酶完成的。
50年前人们发现叶绿体含有自己独特的RNA聚合酶。从那时起，科学家们就对这种酶的复杂性感到惊讶。它比它的祖先细菌RNA聚合酶拥有更多的亚基，甚至比人类RNA聚合酶还要大。
韦伯斯特研究小组想要了解为什么叶绿体具有如此复杂的RNA聚合酶。为此，他们需要可视化叶绿体RNA聚合酶的结构。
研究小组使用一种称为低温电子显微镜(cryo-EM)的方法对从白芥菜植物中纯化的叶绿体RNA聚合酶样本进行成像。通过处理这些图像，他们能够建立一个模型，其中包含分子复合物中50,000多个原子的位置。
RNA聚合酶复合物包含21个亚基，编码在两个基因组(核基因组和叶绿体基因组)中。在执行转录时对该结构进行仔细分析，使研究人员能够开始解释这些组件的功能。
该模型使他们能够识别出一种在DNA转录时与DNA相互作用的蛋白质，并将其引导至酶的活性位点。另一种成分可以与正在产生的mRNA相互作用，这可能会保护它免受蛋白质的影响，而蛋白质会在它翻译成蛋白质之前将其降解。
Webster博士说：“我们知道叶绿体RNA聚合酶的每种成分都起着至关重要的作用，因为缺乏其中任何一种成分的植物都无法产生光合蛋白质，因此无法变绿。我们正在仔细研究原子模型，以查明它们的作用是什么。”适用于装配体21个组件中的每一个组件。”
联合第一作者ÁngelVergara-Cruces博士说：“既然我们有了结构模型，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，我们的研究深入了解了它在植物生长中的作用。”以及对环境条件的适应和反应。”
联合第一作者IshikaPramanick博士说：“在这个非凡的工作旅程中，有许多令人惊讶的时刻，从非常具有挑战性的蛋白质纯化开始，到拍摄这种巨大复杂蛋白质的令人惊叹的冷冻电镜图像，再到最终以印刷版本看到我们的工作。”
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。在面对环境胁迫时能够可靠地产生光合蛋白质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工作被用于为培育更健壮的农作物做出了重要努力。”
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