2025年3月,基础医学院2022级生物学博士研究生张鑫在导师徐晓玲教授的指导下,以第一作者身份在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS,美国科学院院刊)发表题为“Structure of ATP synthase from an early photosynthetic bacterium Chloroflexus aurantiacus”的研究论文。
F型ATP合酶(F-type ATP synthase,F1FO)广泛分布于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异养菌和光合细菌的质膜上,利用电子传递过程中产生的质子动力势(Proton motive force,PMF)催化ADP和无机磷酸合成ATP。自1960年被发现以来,F1FO的结构和作用机制一直是生物学研究的热点:Peter Mitchell凭借化学渗透假说独得1978年诺贝尔化学奖;Paul D. Boyer和John Walker因阐明F1FO的催化机制而获得1997年诺贝尔化学奖。然而,来自光合细菌F1FO的结构至今未被解析,限制了对其功能的理解和应用。
本研究内源分离出光合细菌Chloroflexus aurantiacus的完整ATP合酶(CaF1FO),解析了结合和不结合底物ADP的样品在三种旋转状态的高分辨电镜结构,发现了F1FO一种全新的亚基组装和质子跨膜转运机制。与以往报道的所有ATP合酶不同,CaF1FO含有2个外周茎和2个a亚基,后者在膜周质侧和胞质侧分别形成2个质子入口和2个质子出口。在PMF的驱动下,c10环旋转一周可跨膜转运20个质子并催化3分子ATP的合成。与传统ATP合酶相比,CaF1FO通过增加a亚基的数目显著提高了H+/ATP比率,以适应极端环境中光照条件改变所引起的PMF变化。
CaF1FO的电镜结构和质子跨膜转运机制
论文原文链接:
Structure of ATP synthase from an early photosynthetic bacterium Chloroflexus aurantiacus
阅读原文:
https://doi.org/10.1073/pnas.2425824122
张鑫,基础医学院
2022级生物学博士研究生
在校期间,我以第一作者身份(含共同第一作者)在PNAS、eLife、mBio、Frontiers in Microbiology等期刊发表研究论文5篇,获贝达药业奖学金、精进杯三等奖等荣誉。
ATP合酶样品提取和结构解析是领域内长期存在的难点。2022年博士生入学后,徐老师就鼓励我加入这个极具挑战的课题。在克服了样品提取、冷冻电镜数据的收集和结构解析、文章撰写和投稿过程中面临的重重困难后,我和小组成员终于获得了这个酶在结合底物前后共18个冷冻电镜的结构,而文章撰写期间所绘制的图片和数据累计达到200GB。我深刻体会到,科研不是短跑冲刺,而是一场需要耐力与毅力的马拉松。现在回头看,能踏踏实实地把一件事从头到尾做完,比结果本身更让人有成就感。未来的学术之路或许依旧充满未知,我会继续带着这份热情,踏浪前行。
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