揭示叶绿素第五环的酶促生成机制

（2021.3.16 植物生物技术Pbj）

葉绿素是光合作用的必需因子，承担光能捕获和光化学反应。与其他环状四吡咯分子相比，叶绿素在结构上具有一个独特的第五环，该环的形成显著改变了共轭π电子在大环上的分布，从而大为增强并红移了Qy吸收峰，为最终的叶绿素吸收光谱奠定了基础。催化第五环形成的酶可分为两种机制迥异的类型，一种是厌氧型，另一种是好氧型。地球上绝大部分叶绿素的合成依赖于好氧型环化酶，而该酶也是叶绿素合成路径上的一个研究难点，曾经困扰学界70余年。

该课题组于2017年在PNAS发表文章，报道了对自然界三种好氧环化酶的鉴定工作。接着又于2018年在Science Advances报道了在大肠杆菌中异源表达的好氧环化酶的活性，从而证明了已知亚基的完备性。在以上体内实验的基础上，本文报道了对亚基组成上最为简单，即只含一个亚基AcsF的好氧环化酶的体外研究。研究人员获得了足量高纯度的重组AcsF蛋白，并对其做了详细的生化表征，在体外重构了酶活性，发现反应的直接电子供体是还原态的铁氧蛋白，实现了在试管中“红变绿”的好氧环化酶反应。酶促动力学分析测定了反应的米氏常数和转换数，以及好氧环化酶对底物的解离常数。

好氧环化酶催化的是复杂的涉及到总共6个电子转移的多步反应。本研究通过采用一定的酶浓度梯度，在体外酶活实验中检测到两个反应中间体，并通过液相色谱和质谱联用，确定了其化学结构。本研究还报道了一个概念证明实验，即在体外系统把好氧环化酶与植物光系统I偶联，发现在光照条件下，光系统I产生的还原态铁氧蛋白，可以支持好氧环化酶的反应。该结果提示在产氧型光合生物中，好氧环化酶反应很有可能是联系叶绿素合成和光合作用光反应活性的一个纽带，有待未来进一步的研究。