孑遺藍綠菌中的特殊藻膽蛋白體結構揭露光合作用演化消失的環節

光合作用是地球上生物賴以生存的能量來源。光能的吸收是光合作用的第一步，為了獲取更多的光能，不同的光合生物在演化時發展出各自獨特的捕光天線蛋白系統。藻膽蛋白體為存在於藍綠菌的巨大捕光天線蛋白體 (～5-20 MDa)，能捕獲光能並將能量傳遞到光系統二進次行光合作用。將近60年的研究歷史顯示藻膽蛋白體，在藍綠菌中主要有兩種形狀，分別是無葉綠囊膜藍綠菌的束狀形及有葉綠囊膜藍綠菌的扇形，但目前對於藻膽蛋白體由簡至繁的演化過程仍缺乏證據。在2021年，臺大生命科學系副教授何銘洋與康乃爾大學副教授李飛葦於 Current Biology 共同發表一株缺少葉綠囊膜的新種藍綠菌 Anthocerotibacter panamensis 。該藍綠菌，於14億年前從其他大部分藍綠菌演化分歧，其藻膽蛋白體座落於細胞膜上，這藍綠菌可能保留了演化早期孑遺的特徵。

「我們無法回到過去觀察生物的演化過程，像藍綠菌這類的微生物也缺乏化石證據，因此保留了演化早期特徵的孑遺藍綠菌，就像是藍綠菌中的腔棘魚，對我們了解演化歷程至關重要」何銘洋老師說到。

透過與中研院院士蔡明道及副研究員何孟樵的冷凍電子顯微鏡團隊合作，發現過去從未發現的球拍形藻膽蛋白體結構，不僅具備過去猜測藻膽蛋白體演化初期的孑遺性質，也特化出新的特徵。「在觀察電顯染色結果時，看到有別於過去60年間研究的新結構，就非常興奮，它的形狀很像星際大戰裡的千年鷹號！」江漢威博士表示。這個藻膽蛋白體由兩個新發現的連接蛋白ApcH和CpcN組裝成特殊的七柱狀形的核心和兩條藻藍蛋白六聚體形成的長鏈，看起來就像2個交錯的球拍，因此研究團隊命名此新結構為「球拍形藻膽蛋白體」。這個特殊的結構讓無葉綠囊膜藍綠菌可以增加光的吸收。至於這個結構不存在於演化後期出現的有葉綠囊膜的藍綠菌中的原因，可能是鏈狀的藻藍蛋白六聚體傳遞光能效率較差，以及在葉綠囊膜間無法容納如此巨大的藻膽蛋白體。總結來說，這獨特的藻膽蛋白體是演化中缺失的關鍵，使研究團隊理解光能的吸收在演化過程中如何改變和適應，並為未來的研究提供新的方向。

研究成果於2023年12月4日發表在國際頂尖期刊《自然通訊》Nature Communications。文章連結：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43646-9