能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员使用了世界上最先进的显微镜之一来揭示对光合作用至关重要的大型蛋白质复合物的结构，光合作用是植物将太阳光转化为细胞能量的过程。

发表在“自然”杂志上的这一发现将使科学家们首次探索复杂功能如何发挥作用，并对生产各种生物产品产生影响，包括塑料替代品和生物燃料。

“这项工作将有助于更好地了解光合作用是如何发生的，这可以让我们提高植物和其他绿色生物的光合作用效率 - 可能会增加食物的数量，从而增加它们产生的生物量，”首席研究员说。伯克利实验室的生物物理学家凯伦戴维斯。“如果你想生产可替代现有石油产品的可再生生物产品，这一点尤其重要。”

几十年前发现，研究人员研究的蛋白质复合物，称为NADH脱氢酶样复合物(NDH)，已知有助于调节光合作用的相位，其中太阳能被捕获并储存在两种类型的细胞能量分子中，后来用于驱动二氧化碳转化为糖。过去的研究表明，NDH以一种确保每种能量分子产生正确比例的方式重新调整被激活的电子在叶绿体中的其他蛋白质复合物中移动。此外，蓝细菌的NDH还发挥了一些额外的作用，包括通过将CO2吸收与电子转移相关联来增加可用于糖生产的二氧化碳(CO2)的量。

为了让科学家真正理解NDH如何执行这些重要功能，他们需要一个分子蓝图来指示复合体中所有原子的位置和连通性。这是即使是非常强大的透射电子显微镜(TEM)技术直到最近才提供的东西。

戴维斯说：“对这种酶的研究很困难，实验结果在过去20年左右的时间里一直存在混乱，因为我们缺乏关于酶结构的完整信息。”“了解结构对于生成和测试酶如何发挥功能的假设非常重要。我们获得的NDH结构的分辨率自从与伯克利实验室合作开发的直接电子计数相机的商业化以来才真正实现。”

在本发明之前，伯克利实验室分子生物物理学和综合生物成像部门(MBIB)的科学家戴维斯解释说，确定单个分子的结构可能需要几年时间，因为冷冻TEM成像依赖于胶片，这意味着每次暴露必须在进行分析之前进行开发和扫描。然而，主要的限制是大多数图像变得模糊。当你在一个分子上引导一束电子时，带电的高能粒子激发分子中的原子，经常使它们在曝光时移动。这意味着研究人员需要拍摄和处理数百个(如果不是数千个)胶片图像，以便准确地了解整个分子。

新的电子计数相机通过拍摄具有极高帧速率的数字电影解决了这个问题，因此可以对齐各个帧以消除由光束引起的粒子运动引起的模糊。

在目前的研究中，第一作者，加州大学伯克利分校研究生托马斯劳克林，在MBIB联合任命，从MBB的Junko Yano和Vittal Yachandra实验室提供的光合蓝藻膜中分离出NDH复合物，并使用状态对其进行成像。最先进的低温TEM仪器，配有最新的直接电子探测器。Cryo-TEM设施位于加州大学伯克利分校校园内，由Bay Area CryoEM财团管理，该财团部分由伯克利实验室资助。

然后使用得到的原子密度图建立NDH模型，其显示NDH的所有蛋白质亚基的排列和复合物中所有原子的最可能位置。通过研究这个模型，戴维斯的团队将能够通过平衡两种细胞能量分子的比例来制定并测试NDH如何促进糖生产的假设。

“虽然NDH的结构肯定能解决许多问题，但我认为它已经提出了更多我们以前从未考虑过的问题，”劳克林说。

在众多伯克利实验室的科学家们中，他们致力于提高基础生物化学和生物物理过程的知识，戴维斯和她的员工也使用直接电子相机低温-EM来研究由生长和光照条件的变化引起的光合复合物组织的变化如何影响光合作用的效率。她的光合作用电子流项目得到了美国能源部科学早期职业研究计划五年制的支持，该计划于2018年颁发。