光合作用不能沒有「這座橋」!中研院葉綠體研究登上《自然》期刊

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 04 日 15:10 | 分類 生物科技 , 自然科學 follow us in feedly

人類所有的糧食,幾乎全靠植物的葉綠體行光合作用而來。其中,葉綠體的蛋白質輸入機制,是植物進行光合作用的關鍵。



中央研究院分子生物研究所李秀敏特聘研究員的團隊,歷時 7 年,用創新方法找到能讓蛋白質穿越葉綠體外圍雙層膜的橋梁通道,並將其命名為 TIC236,成功解開葉綠體運作之謎。此研究成果有助掌握葉綠體的構造,進而了解植物的演化史。研究論文已於 11 月 21 日登上知名國際期刊《自然》(Nature),並獲專文推薦。

李秀敏形容,如果把植物的細胞看成是一座城市,細胞中的葉綠體就像是「城市農園」,專責生產食物。而農園裡所需的工人,就是來自城市各處的蛋白質。然而,葉綠體外圍的雙層膜,就像是農場周圍的兩道牆,中間還有一條護城河。本次研究即發現,在兩道圍牆間搭建起一座連結橋梁(TIC236),才能讓蛋白質順利進入葉綠體內部「工作」。李秀敏說,若是沒有 TIC236 讓蛋白質通過,不僅葉綠體會「缺工」,植物也會在胚胎發育階段即死亡。

▲ 光合作用所需的蛋白質藉由葉綠體膜上的外膜(TOC)和內膜(TIC)機組運輸進入葉綠體,但這兩套機組如何連接,一直未知。

本研究發現不僅解開葉綠體運作機制的謎底,更意外發現,TIC236 是由藍綠菌的一個類似蛋白演化而來,對葉綠體的「身世」提供一條有利的線索。在生物演化史中,遠古的某個藍綠菌,被其他單細胞生物吞噬,逐漸演化為現今植物中的葉綠體,改變了整個地球的生態。本次研究將有利於探索葉綠體是由何種藍綠菌演化而來,找到它的「祖先」。

此外,這次研究發現的橋梁連接方式,也能進一步瞭解蛋白質進入胞器的不同方式。在細胞中,充滿各種胞器,運用不同方式讓蛋白質進入其中。例如:粒線體是將外圍雙膜在部分地方緊緊貼近,讓護城河消失,以利蛋白質進入,而本研究則發現,葉綠體是透過搭建橋梁串接雙膜,讓蛋白質通過。由此不同的運輸方式可推斷,葉綠體和粒線體有著各自不同的細菌祖先。

▲ 李秀敏圑隊的研究結果顯示「TIC236」提供了蛋白質穿越葉綠體雙膜的聯結橋梁。

▲ 研究團隊並發現植物葉綠體蛋白質輸入系統的骨架,包含外膜通道 TOC75 及聯結橋梁 TIC236 乃是由革藍氏陰性細菌(包含藍綠菌、大腸桿菌及萊姆病螺旋體等)的 BamA-TamB 分泌系統演化而來。

李秀敏長期研究蛋白質進入葉綠體的過程,並屢屢有重大突破。本次能有此重要發現的原因之一,是其創新性的研究方法。李秀敏表示,過去研究難以對葉綠體外圍的雙膜有精確的分析,是因為葉綠體內部含有大量的葉綠餅,其成份會干擾質譜儀分析結果。本次研究首先突破材料取得的困難,從與葉綠體相似、卻沒有葉綠餅的白色體切入,終於找到蛋白質穿越葉綠體外圍雙膜的連結橋梁。