葉綠體的蛋白質橋樑

大家都知道光合作用是在葉綠體進行,但葉綠體有賴細胞輸入「蛋白質工人」才能正常運作。中研院分子生物研究所特聘研究員李秀敏與其團隊,花了七年的時間,找到能讓蛋白質穿越葉綠體外圍雙層膜的橋樑 TIC236,解開葉綠體運作的大謎團,更發現這套運輸系統從遠古細菌一直沿用到高等植物,是植物演化學的重大突破,論文於 2018 年 12 月登上《自然》 (Nature),並獲專文推薦。

踏入李秀敏的實驗室,窗邊桌面是綠意盎然的植物,牆上貼著玉米品種演化和花草彩繪海報,拍照時,研究人員搬來幾株植物一同入鏡,這間研究室與植物很親密!問起為何投入葉綠體的研究?李秀敏想了想:「嗯,還真有點故事呢!」

李秀敏與她的研究團隊,由左到右為朱瓊枝、李秀敏、陳麗貞、陳奕霖。她們手上拿的就是本次研究的主角:阿拉伯芥和豌豆。攝影│林洵安

李秀敏與她的研究團隊,由左到右為朱瓊枝、李秀敏、陳麗貞、陳奕霖。他們手上拿的就是本次研究的主角:阿拉伯芥和豌豆。 攝影│林洵安

 

 就是愛植物!

她從小住在臺中眷村,孰悉巷弄裡的每一株植物,還會幫它們取名字。高中時成績很好,卻不想唸醫科,填志願時按照分數將臺大動物系填前面、植物系放後面。她笑著說:「小時候不知天高地厚,認為植物可以自己唸,動物比較不喜歡,請老師教,這樣就兩門都會。」

結果,唸動物系第一年,她就發現不對勁!解剖青蛙時,她覺得有些蛙骨沒用就扔了,沒想到每個骨頭都有名字;其他對動物有興趣的同學,對蛙骨卻如數家珍。雖然成績是班上第一,但她唸得很痛苦。

直到大二開始上普通植物學這門課,當課本發下……

我就有回到家的感覺,我有興趣的東西都在裡面!

李秀敏決定轉系,將動物系的課全退掉,選修植物系的課。她跑去找動物系主任簽名,主任皺著眉頭說:「你要簽切結書,如果沒法順利畢業,要自己負責!」

她又跑去找植物系的教授加選課程,教授也十分驚訝:「從來沒人從動物系轉到植物系,你確定嗎?」期末成績出爐,她得到最高分,終於在大三時,如願轉入植物系。

後來赴美留學,一開始她也不是研究植物,而是挑了酵母菌、藍綠菌和動物細胞的三個實驗室輪流實習,但內心始終無法滿足。

她回憶:「某天我在想,如果要花生命中最精華的四、五年寫一本博士論文,我會做酵母菌或動物嗎?不可能!一定是做植物。」後來,研究藍綠菌的老師建議她去一間研究葉綠體的實驗室,她的博士論文就在那間實驗室完成。

從此,她的人生就跟「葉綠體蛋白質運輸」這個題目,結下不解之緣。

 

 葉綠體蛋白質運輸

說到葉綠體,李秀敏就像聊起老朋友般熱絡:「一般人對葉綠體的印象只是行光合作用,其實它還有許多功能,身世也很有趣。」

遠古時期,有顆單細胞動物吞下了藍綠菌,藍綠菌變成細胞內的葉綠體,從此演化出植物這個大家族。植物細胞更將細胞質的許多功能轉交給葉綠體執行。

李秀敏說,如果把植物細胞看成一座城市,細胞內的葉綠體就像是一間間「城市農園」,除了行光合作用製造養分,還要負責製造必需胺基酸、脂肪酸和荷爾蒙等物質。

農園,當然需要工人囉!「葉綠體農園」在運作時,需要許多具有特殊功能的蛋白質,但這些「蛋白質工人」,大部分都是由植物細胞的細胞核下令、在細胞質製造完成後,才送入葉綠體工作。

問題來了!葉綠體外表有外膜和內膜,就像兩道城牆,中間還隔著一道膜間隙,就像護城河。那麼,蛋白質工人到底是如何順利的進入葉綠體的呢?這就是「葉綠體蛋白質運輸」的謎題,困擾了科學家數十年。

葉綠體有外膜和內膜,就像內外兩道城牆,中間隔了膜間隙,就像城牆之間的護城河。過去科學家已經找到蛋白質進入外膜與內膜的轉運蛋白 (內外城門),並推測兩道城門應該有一座橋連接,讓蛋白質能順利跨越膜間隙 (護城河)。李秀敏團隊的貢獻就是找到這座橋:TIC236!圖片來源│中研院秘書處 圖說設計│陳昶宏

葉綠體有外膜和內膜,就像內外兩道城牆,中間隔了膜間隙,就像城牆之間的護城河。過去科學家已經找到蛋白質進入外膜與內膜的轉運蛋白 (內外城門),並推測兩道城門應該有一座橋連接,讓蛋白質能順利跨越膜間隙 (護城河)。李秀敏團隊的貢獻就是找到這座橋:TIC236! 圖片來源│中研院秘書處 圖說設計│陳昶宏

 

 繞了一圈,回到最愛!

雖然她覺得葉綠體研究很有趣,但博士後為了拓展視野,她又拐了一個大彎,找了一個當紅的、研究植物光反應的實驗室。後來,她因緣際會飛去德國一個實驗室做研究,不料剛下飛機的第二天,騎腳踏車時摔斷了手!

她在醫院收到美國研究室傳來的植物光反應的實驗結果,心情很沮喪、根本不想看,就將紙翻面,沙沙沙寫下博士班沒完成的葉綠體題目……。

「又來了!你又忘記該追求自己的興趣。」她立刻寫信給博士後的老闆,放棄那個當紅的題目,回去研究最愛的葉綠體,從此再也不動搖。

「我現在常跟學生講,一定要追求自己的興趣,這樣才不會覺得累,可以一直做、一直做。」李秀敏微笑總結。

 藏在葉綠體內外膜的謎團

回到這次的研究,李秀敏發現的葉綠體蛋白質橋樑,為什麼引起學界震撼?

早期研究已經知道,要進入葉綠體的蛋白質會攜帶一段特殊信號,就像帶了「識別證」,內外膜上有轉運機組,就像膜上的城門,能夠辨識信號並讓蛋白質通過。歷經二十多年研究,科學家已陸續發現轉運機組的成員,並將外膜的轉運機組稱為 TOC ,內膜的轉運機組稱為 TIC。

但近年來,科學家陷入瓶頸:他們發現蛋白質會同時穿越葉綠體的內外膜,可是中間隔著寬闊的膜間隙 (護城河),蛋白質是怎麼穿越的?所以 TOC 和 TIC 這兩道「城門」之間,應該有一座「橋」相連,實驗上也支持這個看法。

於是全世界有十幾個實驗室都嘗試想找到這座橋,李秀敏的實驗室則在 2018 年宣告破解這座神祕的橋樑:TIC236。

 

要看更完整的精采文章,請至研之有物官網:

http://research.sinica.edu.tw/li-hsou-min-plant-photosynthesis-chloroplast-protein/

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