在生命世界繁復(fù)的能量轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)中，光合作用與呼吸作用占據(jù)著核心地位。然而，在微生物王國，有一些“多面手”能夠根據(jù)光照和氧氣的有無，靈活地切換這兩種截然不同的生存模式，硫化玫瑰菌便是其中的杰出代表。這種海洋紫色非硫光養(yǎng)細(xì)菌具有非凡的代謝靈活性：它既能在光照、厭氧條件下，利用高濃度的無機(jī)或有機(jī)硫化合物作為電子供體進(jìn)行光養(yǎng)生長，也能在完全有氧條件下通過呼吸作用生存。這種能力使其成為研究細(xì)菌光合作用的理想模型生物。然而，其背后精密的分子調(diào)控機(jī)制，尤其是驅(qū)動這兩個過程的蛋白質(zhì)機(jī)器之間是否存在“對話”或結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，長期以來一直是一個未解之謎。具體到其光合作用的核心引擎——光捕獲1-反應(yīng)中心（light-harvesting 1–reaction center, LH1–RC）復(fù)合體，其精細(xì)結(jié)構(gòu)如何支持其獨(dú)特功能，特別是與好氧呼吸關(guān)鍵組件（如復(fù)合體I）之間是否存在意想不到的關(guān)聯(lián)，正是驅(qū)動本研究的關(guān)鍵問題。為了揭開這些謎題，研究人員對硫化玫瑰菌W4型菌株的LH1-RC光復(fù)合體展開了深入研究，相關(guān)成果發(fā)表在《Communications Biology》。

為了解析硫化玫瑰菌LH1-RC復(fù)合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)，研究者采用了高分辨率單顆粒冷凍電子顯微術(shù)（cryo-electron microscopy, cryo-EM），成功獲得了分辨率高達(dá)1.81 ?的結(jié)構(gòu)模型。該技術(shù)無需結(jié)晶，能夠近乎天然狀態(tài)下解析超大膜蛋白復(fù)合物的原子細(xì)節(jié)。此外，研究中結(jié)合了光譜學(xué)分析等手段，對復(fù)合體中的電子傳遞特性進(jìn)行了表征。關(guān)于樣本隊(duì)列，研究使用的材料是硫化玫瑰菌（Rhodovulum sulfidophilum）的標(biāo)準(zhǔn)模式菌株W4。

通過結(jié)構(gòu)解析，研究人員詳細(xì)描繪了反應(yīng)中心（RC）的結(jié)構(gòu)。硫化玫瑰菌的RC最顯著的特征是其結(jié)合的細(xì)胞色素（cytochrome, Cyt）亞基，該亞基含有三個血紅素（heme）基團(tuán)，并通過其完整的N端跨膜域錨定在膜上。與已知的其他細(xì)菌RC所結(jié)合的三或四血紅素Cyt亞基中使用甲硫氨酸（Met）作為第二個血紅素（heme-2）的第六個軸向配體不同，在硫化玫瑰菌的Cyt亞基中，最外側(cè)的heme-2是由一個半胱氨酸（Cys）殘基配位的。這一獨(dú)特的配位方式導(dǎo)致其還原電位相較于甲硫氨酸配位的heme-2發(fā)生了顯著的負(fù)向移動，降低了約470 mV。這暗示了其可能適應(yīng)特殊的電子供體或具有不同的電子傳遞動力學(xué)。此外，在heme-2附近，研究還發(fā)現(xiàn)了一個非血紅素鐵，它由Cyt亞基的一個組氨酸殘基和五個水分子配位。這個非血紅素鐵的位置暗示它可能在可溶性電子供體向heme-2的電子傳遞過程中扮演潛在角色。

對光捕獲天線（LH1）的結(jié)構(gòu)分析表明，硫化玫瑰菌的LH1形成一個由16對αβ-亞基組成的開放環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這個環(huán)并非閉合，存在一個缺口。正是在這個缺口處，RC的Cyt亞基的N端跨膜域以及一個新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)（被命名為protein-3h）共同占據(jù)。Protein-3h具有三個螺旋結(jié)構(gòu)域。進(jìn)一步的基因比對分析揭示，這個protein-3h實(shí)際上對應(yīng)于一個假基因urf1的編碼產(chǎn)物在N端被截短的片段。值得注意的是，這個假基因urf1位于硫化玫瑰菌W4基因組中編碼NADH:泛醌氧化還原酶（即呼吸鏈復(fù)合體I，Complex I）的nuo操縱子內(nèi)。研究人員發(fā)現(xiàn)，urf1同源基因也廣泛存在于其他紫色非硫光養(yǎng)細(xì)菌和好氧不產(chǎn)氧光養(yǎng)細(xì)菌中，并且它們編碼的預(yù)測產(chǎn)物都共享一個共同的N端跨膜U形串聯(lián)螺旋結(jié)構(gòu)基序。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈暗示，protein-3h并非偶然存在，而可能與復(fù)合體I存在進(jìn)化或功能上的聯(lián)系。

基于解析的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和光譜學(xué)證據(jù)，研究者探討了硫化玫瑰菌RC Cyt亞基與可溶性電子供體之間可能的電子傳遞途徑。其中，靠近heme-2的非血紅素鐵位點(diǎn)被認(rèn)為是接收來自可溶性電子供體（如細(xì)胞色素c₂）電子的潛在入口。此外，論文還對protein-3h在LH1-RC結(jié)構(gòu)完整性中的潛在作用進(jìn)行了討論。其插入LH1缺口的位置表明，它可能起到了穩(wěn)定LH1開放構(gòu)象、調(diào)節(jié)LH1與RC之間的能量傳遞效率，或者作為連接光合作用與呼吸作用兩個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)橋梁。

本研究通過高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析，首次在原子水平上揭示了海洋紫色光合細(xì)菌硫化玫瑰菌LH1-RC光復(fù)合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并取得了若干突破性發(fā)現(xiàn)。首先，研究明確了其RC Cyt亞基具有獨(dú)特的半胱氨酸配位heme-2，這解釋了其異常低的還原電位，為理解其在特殊環(huán)境（如高硫條件）下的電子傳遞適應(yīng)性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其次，也是最具顛覆性的發(fā)現(xiàn)是，LH1環(huán)的缺口被一個截短的復(fù)合體I組分（protein-3h）和RC Cyt亞基的N端跨膜域共同占據(jù)。這直接提供了光合作用核心裝置（LH1-RC）與呼吸作用關(guān)鍵引擎（Complex I）在結(jié)構(gòu)上存在直接聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，暗示兩者在進(jìn)化、組裝或功能調(diào)控上可能存在前所未有的相互作用。這為理解硫化玫瑰菌乃至一類光合細(xì)菌如何靈活協(xié)調(diào)光合與呼吸兩種產(chǎn)能模式打開了一扇新的大門。該研究不僅深化了對細(xì)菌光合作用超分子機(jī)器結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的理解，更跨界揭示了不同生物能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之間可能存在深層次的、結(jié)構(gòu)上的整合，對認(rèn)識微生物能量代謝網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性與適應(yīng)性具有重要科學(xué)意義。