2009年5月4日
一支国际科学家团队确定了绿细菌中叶绿素分子的结构，这些结构负责收集光能。该团队的结果有一天可以用于构建人工光合系统，例如将太阳能转换为电能的系统。有关该发现的研究论文将于2009年5月4日在美国国家科学院论文集上发表。欧洲杯线上买球
核磁共振（NMR）的结果使科学家能够确定绿细菌中的叶绿素分子（以绿色和橙色为橙色）在螺旋螺旋中排列，并与纳米管的长轴成一定角度。图片来源：宾夕法尼亚州立大学唐纳德·布莱恩特（Donald Bryant）的图像，由美国国家科学院（National Academy of Science）论文集提供。欧洲杯线上买球
The scientists found that the chlorophylls are highly efficient at harvesting light energy. "We found that the orientation of the chlorophyll molecules make green bacteria extremely efficient at harvesting light," said Donald Bryant, Ernest C. Pollard Professor of Biotechnology atPenn Stateand one of the team's leaders. According to Bryant, green bacteria are a group of organisms that generally live in extremely low-light environments, such as in light-deprived regions of hot springs and at depths of 100 meters in the Black Sea. The bacteria contain structures called chlorosomes, which contain up to 250,000 chlorophylls. "The ability to capture light energy and rapidly deliver it to where it needs to go is essential to these bacteria, some of which see only a few photons of light per chlorophyll per day."
因为它们很难研究，所以绿细菌中的氯体是科学家在结构上表征的最后一类轻养成复合物。科学家通常使用X射线晶体学来表征分子结构，该技术决定了分子中原子的排列，并最终提供了可用于创建分子图片的信息；但是，X射线晶体学不能用于表征绿细菌中的氯体，因为该技术仅适用于大小，形状和结构均匀的分子。科比说：“绿色细菌中的每个氯化体都有一个独特的组织。”“它们就像很小的Andouille香肠。当您服用Andouille香肠的横截面时，您会看到不同的肉和脂肪；尽管里面有一些结构，但没有两个香肠的大小或满足感，但仍然存在。就像Andouille香肠一样，其组成的变异性阻止了科学家使用X射线晶体学来表征内部结构。”
To get around this problem, the team used a combination of techniques to study the chlorosome. They used genetic techniques to create a mutant bacterium with a more regular internal structure, cryo-electron microscopy to identify the larger distance constraints for the chlorosome, solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy to determine the structure of the chlorosome's component chlorophyll molecules, and modeling to bring together all of the pieces and create a final picture of the chlorosome.
首先，该小组创建了一个突变细菌，以确定为什么在进化时间内绿细菌中的叶绿素分子变得越来越复杂。为了创建突变体，他们灭活了三个基因，这些基因在其后期获得了绿色细菌。该小组怀疑这些基因负责改善细菌的轻度收获能力。布莱恩特说：“从本质上讲，我们在进化时期倒退到中间状态，以部分理解绿细菌为何获得这些基因。”该小组发现，与突变体形式相比，在所有光强度上，野生型细菌的发展速度越多。布莱恩特说：“确实，叶绿素变得越来越复杂的原因是提高轻度收获效率。”
接下来，团队从突变体和细菌的野生型形式中分离了氯体，并使用了低温电子显微镜（一种在超冷低温温度下进行的电子显微镜），以拍摄氯化体的照片。图片显示，叶绿体内部的叶绿素分子具有纳米管形状。科比说：“它们就像俄罗斯娃娃，下一个同心管的配合。”“突变细菌的氯体仅包含一组试管，而野生型叶绿体含有许多管子，每管都以独特的图案排列，例如那些andouille香肠。”
The team then went a step further and used solid-state NMR spectroscopy -- a technique in which samples are spun very rapidly and exposed to a magnetic field -- to look deep inside the chlorosome. This technique enables researchers to understand the relationships between atomic nuclei in a sample and, ultimately, to acquire structural information about the molecules of interest.
“ NMR数据向我们揭示了绿细菌中的单个叶绿素分子以二聚体排列 - 由两个相同的简单分子组成的分子，其长长的疏水性或耐水物，尾巴都粘在任何一侧，”。“我们还精确地了解了叶绿素分子如何相互连接，并且我们能够测量叶绿素分子之间的距离。冷冻电子显微镜图片显示了总体结构细节和距离，NMR结果使我们能够将这些距离量化为这些距离，例如好吧，并向我们证实，实际上所见的是一堆叶绿素分子排成一列。”他说。NMR结果还使科学家能够确定绿细菌中的叶绿素分子在螺旋螺旋中排列。在突变细菌中，与纳米管的长轴相关的叶绿素分子的定位近90度角，而在野生型生物体中的角度较不陡。科比说：“这里是叶绿素分子的方向是这里最重要的事情。”团队的最后一步是将所有数据汇总在一起，并创建结构的详细计算机模型。
布莱恩特说：“起初，绿细菌通过增加氯体结构的疾病来发展更好的轻度收获系统似乎是违反直觉的。”“大多数人会认为，如果您制造出更高度有序的东西，您最终会得到更好的作用。但这显然是不正确的情况。如果所有叶绿素都相同地排列在一个叶绿体，然后从光子吸收的光子中，将在所有这些叶绿素上徘徊，这可能需要很长时间。在野生型形式中，您将拥有这些不同的结构域，其中叶绿素分子所在和因此，光子能量迁移的能力受到限制。换句话说，单个光子中的能量访问较少数量的叶绿素，这对生物体来说是一个优势，因为能量可以到达需要更快的地方。速度是绿色细菌发光的游戏的名称。生物体只有几个纳米秒可以使能量获得某个地方有用，否则能量将丢失。所需的速度可能是细菌的问题每天每叶绿素仅获得几个光子的光子。”