Nature ：隋森芳组报道藻胆体2.8 Å分辨率的冷冻电镜三维结构 ​

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藻胆体是蓝藻和红藻中的捕光天线，能吸收并传递太阳光给藻类植物进行光合作用，捕获光能的效率高达近100%。它是迄今已知最大的捕光蛋白复合物，分子量可以达到几十兆道尔顿，由藻胆蛋白和连接蛋白构成，在这些蛋白上共价结合着色素分子，光能的吸收和传递都是依赖于这些色素分子。科学家们自五十多年以前发现藻胆体以来，一直都想知道它的组装机制和高效能量传递机制。

清华大学生命科学学院隋森芳院士课题组近年来一直致力于藻胆体结构的研究工作。2015年，该团队在Cell Research 期刊报道了来源于蓝藻鱼腥藻的完整藻胆体的负染电镜结构，分辨率约为20 Å。2017年底，该团队在Nature期刊上首次报道了海洋红藻太平洋凋毛藻藻胆体（Griffithsia pacifica）的3.5 Å分辨率的冷冻电镜三维结构，揭示了藻胆蛋白和连接蛋白的精密组装机制。

2020年2月20日，隋森芳院士团队在Nature期刊上在线发表题为Structural basis for energy transfer in Porphyridiumpurpureum phycobilisome（盐泽红藻藻胆体能量传递的结构基础）的研究论文，报道了盐泽红藻藻胆体的2.8 Å分辨率的冷冻电镜三维结构，为揭示藻胆体中的能量传递机制奠定了结构生物学基础，是在该领域取得的又一项重大研究成果。

研究团队在此前藻胆体研究的基础上，选择模式藻盐泽红藻的藻胆体作为研究对象进行进一步的结构研究。经过一系列条件优化后研究人员将藻胆体结构的分辨率提高到了2.8 Å，从而搭建出了更为精细的藻胆体结构模型。研究人员发现盐泽红藻藻胆体共有706个蛋白亚基，包含528个藻红蛋白PE，72个藻蓝蛋白PC，46个别藻蓝蛋白APC和60个连接蛋白，以及1598个藻胆色素分子，包括1430个藻红胆素分子PEB、48个藻尿胆素分子PUB和120个藻蓝胆素分子PCB。盐泽红藻（P. purpureum）藻胆体比此前报道的海洋红藻（ G. pacifica）藻胆体的整体尺寸小，含有更少的藻红蛋白PE亚基和藻尿胆素PUB。这些结构上的差异与两种红藻生活的不同光环境相一致。

盐泽红藻藻胆体的整体结构

基于高分辨率的结构，研究人员分析了色素与周围蛋白的相互作用。他们发现在杆中，位于藻胆蛋白六聚体中心孔洞附近的色素分子会与连接蛋白上的芳香族氨基酸形成π-π相互作用，该作用扩展了色素分子中四吡咯环的共轭效应，从而降低了色素的能量状态，使其更有利于接收能量。在核中，结合在三个蛋白ApcD，ApcF，αLCM上的色素分子在能量传递中发挥着关键作用，研究表明它们也受到了周围氨基酸侧链的微调作用：ApcD上的色素分子受到自身和藻胆蛋白的芳香族氨基酸侧链的π-π 相互作用的影响；ApcF上的色素分子除了与自身的芳香族氨基酸侧链形成π-π 相互作用外，还被连接蛋白LCM形成的疏水帽子盖住；位于LCM上的氨基酸Y140通过形成空间位阻效应使得αLCM上的色素处于ZZZssa构象，该构象色素的四吡咯环之间共面性更好，能量更低，从而结构上保证了αLCM末端能量发射受体的地位。核中还有其他色素也受到连接蛋白上的芳香族氨基酸侧链的π-π 相互作用的影响，从而改变能量状态。该工作揭示了连接蛋白主要通过芳香族氨基酸与色素分子相互作用从而微调色素的能量状态，以保证能量的高效单向传递。该研究成果为阐明藻胆体独特的光能捕获、传递和转化机制提供了重要基础，同时为人工模拟光合作用研究提供了新理论依据。

藻胆体核中关键色素分子与周围连接蛋白的相互作用

清华大学生命学院隋森芳教授为本文的通讯作者；生命学院2019届博士毕业生马建飞（现为生命科学联合中心博士后、清华大学水木学者和结构生物学高精尖创新中心卓越学者）、在读一年级博士生游鑫和课题组副研究员孙珊为本文的共同第一作者。中国科学院烟台海岸带研究所的王肖肖参与生化样品制备和电镜数据采集，秦松研究员参与了前期样品筛选。国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台为数据收集和处理提供了支持。