筑波大学计算科学研究中心的谷一寿教授等人的研究团队于2月14日发表研究成果称，在栖息于高盐浓度、高碱性环境中的红色硫黄细菌所进行的光合作用中，发挥重要作用的蛋白质复合体的结构能够提高能量转换效率。这一成果有望应用于太阳能的有效利用以及含硫化氢的废水处理等环保领域。相关研究成果已发表在国际学术期刊《Nature Communications》2月6日刊上。
图1：通过计算机对冷冻电子显微镜照片进行分类可视化的Hlr.halophila的核心光捕获反应中心复合体（LH1-RC）和光捕获共复合体（LH1-LH2）。将冷冻电子显微镜照片（左图）进行二维类分类后的平均化投影图像（中图），分别表示为LH1-RC和LH1-LH2。基于立体结构进行的三维类分类收敛为两种立体结构（右图）。（供图：筑波大学）
图2：由冷冻电子显微镜可视化的Hlr.halophila的核心光捕获反应中心复合体（LH1-RC）和光捕获共复合体（LH1-LH2）的立体结构。LH1亚基的α、β链各自的两种异构体配对形成环的最小结构单位。LH1环分别环绕着RC和LH2（半透明色部分）进行排列。（供图：筑波大学）
适应极端环境生存的红色硫黄细菌所进行的光合作用与植物不同，不会产生氧，但是却能以非常高的效率利用硫化氢，将太阳能转化为化学能量（氧化还原电位差）。这些细菌为了在极端环境中也能稳定地进行光合作用，在进化过程中形成了以效率为优先的独特机制。
特别是红色硫黄细菌“Hlr.halophila”被认为是通过特化于光捕获的蛋白质复合体（LH2）和进行光捕获以及能量转换的蛋白质复合体（LH1-RC）紧密结合并一体化，从而承担相同的功能的。然而，两者之间的相互作用较弱，一体化形成的机制此前并不明确。
此次研究团队对从利比亚沙漠的高盐分湖中分离出来、生存在盐分浓度35％以上、pH10.7的高碱性极端环境中的红色硫黄细菌“Hlr.halophila”所具有的蛋白质复合体进行了解析。
对这种细菌来源的包含LH2、LH1-RC的样品溶液进行氨基酸水平的观察后发现，形成了LH1-LH2、LH1-RC复合体。LH1结构的最小单位由不同于通常结构的多肽链构成，LH1结构环绕着LH2或者RC（反应中心）。
LH1-LH2复合体的光能转换效率几乎达到100％，这表明这种蛋白质复合体的结构提高了能量转换能力。
LH1-LH2共复合体的结构特征使这种细菌在生理上能够适应恶劣环境。研究推测其通过最少量的LH2复合体将激发的能量最大限度地传递给核心复合体LH1-RC，从而实现高效光能捕获。
谷教授表示：“与以往的常识不同，我们发现Hlr.halophila体内不仅存在LH1-RC，还共存着新发现的LH1-LH2复合体，这一现象让我深感自然的巧妙。未来我们期待能继续观测到这类颠覆常识、有趣的自然现象。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：A distinct double-ring LH1‒LH2 photocomplex from an extremophilic phototroph
DOI：10.1038/s41467-024-55811-9
