用角黄质替代β-胡萝卜素可以在Synechocystis sp. PCC 6803中产生结构稳定且光谱特性优异的光系统I核心

《Photosynthesis Research》：Canthaxanthin substitution of β-carotene yields structurally stable yet spectrally robust photosystem I cores in Synechocystis sp. PCC 6803

本研究通过代谢工程手段在蓝细菌中表达crtW基因，将β-胡萝卜素转化为角黄素，并分析其对光合系统I（PSI）结构和光物理性质的影响。结果表明，PSI复合体的多肽组成和三聚体结构未受影响，但吸收光谱在450-570 nm范围内出现变化，而77K荧光发射光谱与对照几乎一致，说明角黄素替代β-胡萝卜素不影响低能叶绿素网络，为光合色素理性设计提供了新平台。

　　

摘要

类胡萝卜素（Carotenoids, Cars）是光系统I（Photosystem I, PSI）中的关键辅因子，它们能够稳定色素-蛋白质结构，并促进激发能量的传递及光保护作用。尽管通过代谢工程技术已经在多种氧光养生物中实现了多种酮类胡萝卜素（keto-Cars）的合成，但将一种经过改造的类胡萝卜素插入纯化的PSI核心后对其结构和光物理性质的影响仍不明确。在本研究中，我们构建了一种仅表达crtW基因的Synechocystis sp. PCC 6803菌株（CrtW菌株），该菌株能够将β-胡萝卜素转化为角黄质，并分离出PSI三聚体，以评估β-胡萝卜素的替代对PSI结构和光物理性质的影响。高效液相色谱（HPLC）分析显示CrtW PSI中检测不到β-胡萝卜素的存在，表明β-胡萝卜素已被角黄质以及另一种尚未鉴定的类胡萝卜素所取代。SDS-PAGE和BN-PAGE分析表明，CrtW PSI的多肽组成及三聚体结构与对照组复合体无显著差异。室温下的吸收光谱显示，在450纳米至570纳米波长范围内存在明显的类胡萝卜素依赖性差异，这与色素组成的改变相符；而叶绿素（Chlorophyll, Chl）的Qy吸收带则保持不变。值得注意的是，无论激发波长如何，CrtW PSI的770纳米处的荧光-发射谱几乎与对照组完全重叠，说明低能量叶绿素网络的有序结构得以保留。这些结果表明，蓝细菌的PSI三聚体在以角黄质替代β-胡萝卜素的情况下仍能正常组装并维持其光物理完整性，且不会影响其寡聚体结构。因此，CrtW PSI为研究类胡萝卜素的化学特性如何影响色素-蛋白质相互作用以及指导光合复合体中色素的合理重新设计提供了一个理想且易于操作的实验平台。