一次吞并

生命演化的歷史深處，充滿了斗爭與妥協。

一個生命體“吞并”另一個生命體，就像一家大公司收購另一家工廠，因為看上了它的核心技術——可以把陽光轉化為生命能量。

這聽起來很像商業故事，但可能是自然演化的過往。

大約在十億年前，一個原始真核細胞“盯上”了一個藍細菌——對方可以進行初步的光合作用。這種魔力太有誘惑力了，原始真核細胞想“據為己有”。

我們無從考證這次“吞并事件”具體發生在何時，但它大概率是發生了，并且被吞并的藍細菌之后逐漸演化成了葉綠體。這就是內共生學說，由美國生物學家馬古利斯（Lynn Margulis）于1970年提出，目前越來越多的證據支持了這一學說。

內共生理論示意圖揭示葉綠體起源

Lehninger Principles of Biochemistry 7th Edition

而吞并之后的故事讓人稱奇。葉綠體自身的遺傳物質，逐漸轉移到細胞核中，自身僅保留編碼100多個蛋白的基因組。而多達2000到3000種葉綠體蛋白，由細胞核中的基因編碼，并在細胞質中翻譯成為前體蛋白，再運輸到葉綠體中去。

也就是說，當“藍細菌”這家小工廠被吞并后，不是徹底解散消亡，也不是“固守城池”，保持獨立運行，而是與“總公司”有分有合。“總公司”收歸了這家“工廠”的大部分管理權限，工廠所需要的生產資料全部統一調配，但這些資料仍然被運送到“小工廠”里完成最后的組裝。

想象一下，在一個植物細胞內部，有2000到3000種前體蛋白需要進入葉綠體，而細胞內部還有其他各種復雜的“工廠”和“工人”。葉綠體到底擁有一扇怎樣精巧的“大門”，可以做到精確識別自己的“工人”？

抓住大象

此前，科學界已經知道葉綠體是雙膜結構，內膜上存在轉運因子TIC，外膜上存在轉運因子TOC，它們聯合形成一個超級復合物TOC-TIC，作為蛋白進入葉綠體的“大門”。TOC-TIC，很像是把抖音的海外版TikTok反過來讀。

雖然這個領域已經研究了近四十年，但是仍有很多核心問題尚未被解決。比如，TIC到底是由哪些組分組成？而TOC和TIC又是如何形成超級復合物來行使“大門”的功能？

由于不知道TOC-TIC復合物的全貌，大家的研究就好像“盲人摸象”，各執一詞。

閆湞帶領的膜蛋白結構與功能實驗室也盯上了這個課題。閆湞長期從事蛋白質的結構與功能研究，尤其在離子通道領域取得了多項重要成果。他們計劃利用生物化學和結構生物學的方法來揭示TOC-TIC復合物的組成、組裝和轉運機制。

通過對前人研究成果的分析歸納，實驗室選擇了克萊因衣藻的TOC-TIC超級復合物為研究對象，在兩個已被確認并在不同物種中高度保守的TOC（Toc34）和TIC（Tic20）組分上分別加親和標簽進行純化。

TOC-TIC將核基因編碼的蛋白轉運進葉綠體

你可以通俗地理解為，實驗室設置了兩組實驗，一組通過前人已經確認的“象耳朵”來牽出完整的大象，一組通過“象尾巴”來牽出大象。也就是在特定的葉綠體樣本中，通過親和標簽把TOC-TIC復合物精確找到，并純化出來。

思路看起來很簡單，但實驗過程需要克服非常多的困難，需要排除各種干擾因素，同時不能破壞TOC-TIC復合物的結構。

令人激動的是，最終這兩種不同策略所純化出來的蛋白質組分完全一致，并且解析出來的電鏡結構也高度一致。

此后的多重實驗也相繼驗證，TOC-TIC超級復合物終于被找到，并且被精確識別出來。

TOC-TIC超級復合物電鏡結構

抵達未知

在閆湞實驗室的三維軟件里，我們看到了葉綠體“大門”——TOC-TIC的立體結構。

這個克萊因衣藻葉綠體上的TOC-TIC超級復合物，分辨率達到2.5Å，清晰地展示了TOC-TIC各組分的高分辨結構與組裝模式。

它一共包含14個組分，其中8個為之前已報道的組分，6個為功能未知的新組分。

結合前人理論，在雙層的葉綠體膜上，這個重要的通道如同檢查健康碼的守門人一樣，讓蛋白帶著轉運信號肽一個個“掃碼”入場。

TOC-TIC超級復合物的工作模型

TOC-TIC復合物對葉綠體的生成以及穩態至關重要，理解清楚其結構和工作機理將為未來潛在的對葉綠體乃至光合生物的改造奠定重要基礎，后續的研究也才能在此基礎上展開想象。

比如能否讓“大門”提高效率加速放行？能否讓“守門人”為“特種工人”放行？能否以“守門人”為模板再人造出形形色色的“守門人”？

一位審稿人評價說：該研究用純化并解析結構這個“終極手段”解決了光合物種葉綠體生物學的一個核心問題，為增進理解和認識藻類、植物葉綠體如何發展進化邁出了一大步。因為葉綠體生物學對食品安全與氣候變遷的潛在影響，以及對蛋白如何轉運這種問題的基礎性，該研究也為其他非特定領域的科學家們帶來了非常有價值的信息。

也許在不遙遠的未來，通過綠色植物與光合藻類的改造，能夠助力碳達峰碳中和，或者能夠促進作物增收增產。而當下的科學家們，正在為這樣的夢想鋪下臺階。