藻胆蛋白复合体的异源合成组装及其结构和功能的研究

Photosynthesis is the basis for the survival of organisms, and the utilization rate of light energy is the key to determine the growth rate of plants. Cyanobacteria, red algae and some other algae live in water and lack of light energy. Therefore, algal bodies, which have unique photosynthetic pigment complex- phycobilisome, can absorb visible light in 500-640nm range that higher plants cannot absorb, and the utilization rate of light is much higher than that of higher plants. In 2017, Nature reported for the first time the world's first intact three-dimensional structure of phycobilisome using cryoEM, which first parses all the connection proteins in the functional structure of the assembled condition and first determine the overall arrangement of all 2048 pigments in the phycobilisome. This provides an important reference for the synthesis of phycobilisome. . Our research team has expressed recombinant phycocyanin, phycoerythrin and allophycocyanin with absorption spectra and fluorescence spectra of natural phycobiliproteins in heterologous expression system under the support of the lasted fund project (31472255). On this basis, we plan to construct the protein complex with the structure and function of phycobilisome using the principle and technology of synthetic biology. Then the protein complex would be combined with heterologous photosynthetic components to assemble a new photosynthetic system, in order to achieve a qualitative leap in the efficiency of light energy utilization. This work may provide a new way for improving the utilization of solar energy in plant.

光合作用是生物界赖以生存的基础，光能利用率是决定植物生长率的关键。蓝藻和红藻等藻类生活在水中，光能不足，因此具有高等植物没有的独特的色素蛋白复合体-藻胆体，可以吸收高等植物不能吸收的500-640nm范围内的可见光，光能利用率远高于高等植物。2017年Nature上首次报道了世界上第一个完整藻胆体的近原子分辨率的冷冻电镜三维结构，第一次解析出了所有连接蛋白在功能组装状态下的结构和全部色素的整体排布。这为人工合成藻胆体这个具有重要捕光功能的蛋白复合体提供了重要的参考依据。. 本项目组在前期工作中，成功在异源系统中表达了与天然藻胆蛋白的吸收光谱、荧光光谱一致的重组藻蓝蛋白、藻红蛋白和别藻蓝蛋白，在此基础上，本研究拟采用合成生物学的原理和技术构建具有藻胆体结构、功能的蛋白复合体，并尝试将其与异源的光合元件组装成全新的光合系统，以期实现光能利用率的质的飞跃，为提高植物光能利用率开辟新思路。

光合作用是生物界赖以生存的基础，光能利用率是决定植物生长率的关键。蓝藻和红藻等藻类生活在水中，光能不足，因此具有高等植物没有的独特的色素蛋白复合体-藻胆体，可以吸收高等植物不能吸收的500-640nm范围内的可见光，光能利用率远高于高等植物。因此藻胆体的结构和光能传递规律一直是人们关注的热点。. 本研究以没有光合系统的大肠杆菌为宿主，将藻胆蛋白、连接蛋白和藻胆色素合成相关酶进行组合表达，通过光谱和光能电子传递分析表明核膜连接蛋白ApcE具有光学活性，能够与别藻蓝蛋白和藻蓝蛋白结合形成蛋白复合物，发挥光能传递的作用。在对藻蓝蛋白a亚基和b亚基核心序列分析的基础上进行分区域表达及与色基裂合酶组合表达，结果表明a亚基80(G)位到93(R)位，b亚基72(N)到92(Y)和142(V)到153(C)区段都具有藻蓝蛋白的荧光活性，获得了可用于有荧光活性藻蓝蛋白表达的核心区段。进而在莱茵衣藻中成功表达出具有光学活性的藻蓝蛋白，能进行光能捕获并向光系统核心进行光能传递，这种光能传递作用对光系统II（PSII）更加显著。并且在光能不足时，能够在一定程度上促进莱茵衣藻的生长。. 本研究为深入研究藻胆体各元件在光能传递中的作用，在绿色光合生物中合成具有光能捕获和能量传递的藻胆体蛋白复合物奠定了实验基础。