近距離觀察菠菜糖分構建機制中的一種蛋白質齒輪，使我們離提高糧食作物產量更近了一步。研究人員利用電子顯微鏡提供的最高解析度成像技術，追蹤了這種機制中的一個關鍵複合物——細胞色素b6f的輪廓。
研究團隊在一篇11月13日發表在《自然》雜誌上的論文中表示，瞭解這種蛋白質複合物的設計可能有助於科學家重新設計它，以提高菠菜或其他植物的作物效率。其結果可能是為不斷增長的全球人口更高效地生產更多食物。
澳大利亞國立大學ARC卓越轉化光合作用中心博士後研究員瑪麗亞·葉爾馬科娃表示，獲得關於細胞色素b6f結構的這些細節“非常令人興奮”，她沒有參與這項研究。她說，這些發現並沒有完全解答關於該複合物如何發揮作用的長期存在的問題，但它們為闡明其結構和活性之間的關係奠定了基礎。
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英國謝菲爾德大學生物化學家、該論文的共同資深作者馬特·約翰遜說，細胞色素b6f的一個已知功能是它在光合作用“瓶頸”中的作用。作為糖分構建過程中減速的位點，該複合物是效率調整的目標。約翰遜指出，幾項 其他研究 專注於細胞色素b6f，這些研究表明，提高其組分蛋白質的產量可以轉化為植物生長的增加。
蛋白質複合物b6f。 來源：謝菲爾德大學
陽光啟動植物的糖分製造工廠，作為光合作用的第一步，為葉綠素中的電子提供能量。然後，植物利用捕獲的能量在涉及兩個連續系統的過程中構建糖分。這些糖分對植物生長至關重要，因此高效的光合作用反過來意味著高效且旺盛的產量。
細胞色素b6f複合物連線了光合作用的兩個主要系統，並處理太陽能激發的電子。一些電子的能量用於引導質子（單正電荷）進入一個儲存區域，像電池一樣儲存起來，直到植物需要它們。隨後，這些質子的流動為分子的組裝提供動力，這些分子將提供構建糖分所需的能量。
細胞色素b6f還決定了帶能量電子的兩種命運：它可以將它們從第一個主要的光合作用系統推入第二個系統，在那裡植物構建糖分。並且它可以將它們迴圈回來，以驅動更多的質子進入儲存。
約翰遜和他的同事使用了一種稱為冷凍電子顯微鏡或冷凍電鏡的技術，來獲得他們對細胞色素b6f的放大檢視。在從日常菠菜葉中純化出該複合物後，他們將包含純化複合物的溶液放在波紋碳網上，並將整個東西浸入冷卻至約零下190攝氏度的液態乙烷中。
透過輕輕地向樣品束射電子，研究人員建立了該複合物的軌跡，並將它們合併成三維影像。這些影像顯示了細胞色素b6f的組成部分，細化到單個分子水平。該過程還允許研究人員捕捉到該複合物在其功能的不同階段，顯示了可能調節其如何處理電子和質子的形狀變化。
例如，他們發現葉綠素有一個分子尾，可能決定了細胞色素b6f中電子的命運。他們看到尾部與複合物相互作用並呈現兩種可能的位置：在一種位置中，它阻止了攜帶電子的分子沉降到細胞色素b6f上的一個位點。在另一種位置中，尾部改變了形狀，為分子結合讓路，使其電子可以被訪問。
約翰遜和他的同事寫道，這些和其他結構細節指出了細胞色素b6f如何響應環境訊號而改變形狀。當植物需要減緩光合作用以避免損害時，例如在光線過度照射期間，這些變化會減慢光合作用。
但約翰遜說，理解這些變化也可能“為改進提供更精細的目標”，從而解除該過程的制動。他和他的共同作者寫道，操縱光合作用對於提高作物產量和確保到2050年為預計的97億人口提供充足的食物至關重要。