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确认
我们感谢J. K. Lanyi对手稿的评论;M. Shalev-Benami为优化蛋白质纯化提供帮助;Y. Ferguson在图形设计方面的帮助;G. Tzuri和T. Isaacson分享资料;J. Anton提供的美国红的为盐黄质的分离标准;“Marismas del Odiel”自然公园主任E. Martinez-Montes，支持获取大西洋海水样本;Yigal Allon Kinneret湖沼实验室(KLL)为Kinneret湖取样提供技术帮助;埃拉特的大学间海洋科学研究所(IUI)，为他们提供码头和红海样品初级处理的工作空间;以及以色列自然和公园管理局的许可，在Ein Afek保护区取样。这项工作得到了以色列科学基金会(资助3592/19给O.B.)，大阪发酵研究所(W.S.)， JSPS KAKENHI(资助18H04136和22H00557给S.Y.， JP21H01875和JP20K21383给K.I.， 19H05777给W.S.， 21H04969给H.K.和21H05037给O.N.)， MEXT利用海洋生物大数据的技术进步(资助JPMXD1521474594给S.Y.)， MEXT KAKENHI，资助转型研究领域(B)“低能量操纵”(资助JP20H05758给K.I.)，日本医学研究开发机构(AMED)资助的支持药物发现和生命科学研究平台项目(支持创新药物发现和生命科学研究的基础)，资助号JP19am0101070(资助号1627给W.S.)，国家研究机构Investigación/FEDER, UE(资助号2019-110438RB-C22给R.L.)，以及两国科学基金会(资助号2016102和2020105给S.R.)。S.R.担任Lester Aronberg化学教授。M.S.担任Katzir-Makineni化学教授。O.B.是生命科学的路易斯和莱拉·里士满主席。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
A.C.和A.P.构思了这个项目，进行了环境采样和功能宏基因组学。A.C.进行胡萝卜素提取、蛋白质生化、胡萝卜素结合和光依赖质子泵。A.R.执行生物信息学。S.L.研究分子生物学。I.D.和ms进行了吸收、发射和CD光谱。t.f.、m.h.、Y.T.和S.Y.对含有pr的黄杆菌分离物进行了吸收、发射和胡萝卜素表征。s.m.， f.k.s.， t.t.， W.S.和O.N.进行了结构分析。A.M.-M。，P.G.-V. and R.L. performed carotene characterization from environmental samples and from rhodopsin-bound carotenes. P.M. and S.R. performed ultrafast spectroscopy. T.I., M.K., T.N. and K.I. performed laser-flash photolysis. Y.M., K.K., R.A.-Y. and H.K. performed low-temperature UV–Vis and FTIR spectroscopy. O.B. coordinated the project. A.C. and O.B. wrote the paper with input from all authors.
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Valentin Gordeliy和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1 Kinneret湖和大西洋海岸发色团提取物的特征。
一个， Lake Kinneret发色团提取物的HPLC图谱。主峰分别为黏液黄素(1)、二黄质(2)、二黄质(3)、叶黄素(4)、玉米黄质(5)、角黄素(6)、叶绿素b(7)、叶绿素一个(8)、松果烯酮(9)、脱镁素一个(10)， β-胡萝卜素(11)。b，大西洋海岸发色团提取物的HPLC分布图。主要峰对应叶绿素c(1)、虹吸黄质(2)、岩藻黄质(3)、紫黄质(4)、二亚丁黄质(5)、二亚丁黄质(6)、叶黄素(7)、玉米黄质(8)、叶绿素b(9)、叶绿素一个(10)， β-胡萝卜素(11)。发色团在450nm处。
图2不同视紫红质与叶黄素结合的光谱特征。
一个而且d不同视紫红质与叶黄素孵育后吸光度的变化。b，e，含叶黄素和不含叶黄素的CD光谱。c，f，含叶黄素和不含叶黄素的荧光激发光谱;发射监测在720 nm。
图3叶黄素向不同视紫红质激发能量转移(EET)的量子效率及叶黄素与Kin4B8配合物的超快光谱表征。
一个，计算叶黄素和玉米黄质与不同视紫红质配合物EET的量子效率。b，叶黄素到不同视紫红质复合物EET的量子效率随波长的变化。c,年代2叶黄素的状态衰变。蓝色- Kin4B8-叶黄素，黑色- Kin4B8(还原RPSB键)-叶黄素，红色-它们的配合。x轴为泵与探头之间的延时。y轴表示有泵浦脉冲和无泵浦脉冲时探头吸收的差异。动力学数据拟合为40fs高斯IRF卷积函数和单指数衰减函数。dNaBH对视网膜质子化希夫碱的还原作用4在kin4b8 -叶黄素复合体中。还原前kin4b8 -叶黄素的蓝吸收谱。还原后kin4b8 -叶黄素的黑色吸收谱。
图4 77 K叶黄素对Kin4B8视网膜光异构化的FTIR影响。
一个， 77 K时含叶黄素(上)和不含叶黄素(下)的脂质重构Kin4B8的紫外可见吸收光谱。y轴的一格对应0.5个吸光度单位。b，有叶黄素(上)和没有叶黄素(下)的Kin4B8光照下的紫外可见光谱差异。首先用540 nm光照射脂质重建的Kin4B8水化薄膜(实线)，然后在77 K下用590 nm光照射>(虚线)。实线和折线为镜像，表明Kin4B8和K中间体的光致变色性能。y轴的一格对应0.05吸光度单位。c，有叶黄素(上)和没有叶黄素(下)的Kin4B8光照下的FTIR光谱差异。脂质重组Kin4B8水化膜与H2O首先在540 nm光下照射(实线)，然后在77 K的>590 nm光下照射(虚线)。y轴的一格对应0.002吸光度单位。d，e，光致差UV-visible (d)和FTIR (e含叶黄素(红色)和不含叶黄素(黑色)的Kin4B8光谱，其中正信号和负信号分别来自K中间体和未光解的Kin4B8。
图5 Kin4B8和Kin4B8- g153f与类胡萝卜素结合的光谱特征。
一个， Kin4B8与盐inixanthin (Sal)的吸收光谱。b，含盐黄嘌呤和不含盐黄嘌呤的Kin4B8的CD光谱。c，含盐黄嘌呤和不含盐黄嘌呤时Kin4B8的荧光激发光谱;发射监测在720 nm。dKin4B8与β-胡萝卜素(β-car)的吸收光谱。eβ-胡萝卜素添加和不添加时，Kin4B8的CD谱。fKin4B8-G153F与玉米黄质(Zeax)的吸收光谱。e，添加玉米黄质和不添加玉米黄质时Kin4B8-G153F的CD谱。
图6 Kin4B8的光循环。
一个，在暗(灰色)和光适应(绿色)条件下，Kin4B8中不含叶黄素(上)和含叶黄素(下)的视网膜异构体组成(右)的HPLC分析色谱图(左)。At、11、13、syn和anti表示all-反式, 11 -独联体、13 -独联体，syn,反分别配置。b，瞬时吸收变化二维图(左)，不同时间点的瞬时吸收光谱(中)，Kin4B8不含叶黄素(上)和含叶黄素(下)的瞬时吸收变化时间历程(右)。叶黄素吸收变化产生的峰用星号表示。c，不含叶黄素(左)和含叶黄素(右)的Kin4B8光中间体的吸收光谱。由叶黄素吸收变化引起的峰用星号表示。d， Kin4B8的光周期模型。视紫红质构象变化影响叶黄素(蓝色箭头)的结构3./ M1来啊4/ Kin4B8 '2．e，在不同激发波长(415、432、457、473、487、552和601 nm)下，含叶黄素和不含叶黄素的Kin4B8的瞬时吸收比值变化(根据激发光的颜色进行着色的条形图)。不含叶黄素(粉红色线)和含叶黄素(橙色线)的Kin4B8的吸收光谱重叠。红色虚线表示无叶黄素和有叶黄素之间没有区别。
图7 Kin4B8和Kin4B8- g153f的光诱导质子抽运活性
一个而且b，监测pH值变化大肠杆菌分别表达Kin4B8和Kin4B8- g153f的球质体悬浮液，添加玉米黄质和不添加玉米黄质。用紫光(430nm)、蓝光(450nm)或绿光(550nm)照射球质体2分钟(用彩色条表示)。放大的第一个15秒的照明图显示在每个测量的右边。所示的迹线是6个或6个以上独立生物重复的平均值(误差条代表扫描电镜)。
图8四种环境下不同原核生物门中有(G)和没有(FW)开窗的PRs和XRs的多样性和分布。
一个基于代表性蛋白序列的PR-XR-NQ分支的最大似然系统发育分析。特征离子泵用圆点表示，末端分支用相应门着色。具有多个代表性的主要演化支被突出显示并标记。这棵树在外面生根。b，具有典型TM3基序DTE的pr和XRs在分配到不同类群的基因组中的分布，有(G)和没有(FW)开窗。该分析基于GEM基因组，并按操作分类单位(OTU)汇总数量。颜色如图(a)所示。c，根据IMG/M的宏基因组数据，4个生境中进化支不同科的相对丰度。仅显示总相对丰度为>0.1%的家系。d，在开窗位置有三个最常见残基的PRs和XRs的预测吸收最大值。单个观察结果对应于视紫红质BLASSO模型对具有相同24个视网膜结合袋残基序列预测的平均吸收最大值56．OM-RGC、IMG/M和GEM的序列合并。点的大小与不同视紫红质域序列的数量成正比，颜色近似于预测的平均吸收光谱。两组间的统计学差异用Dunn检验和FDR校正进行评估。显著性水平用星号表示:*** -已调整p-values < 0.001。(A)和(C)中家族名称的缩写:ACB -古细菌分支B, ESR -Exiguobacterium sibiricum视紫红质，NQ - NQ钠和氯泵，MACR -海洋放线菌支视紫红质，PR -变形视紫红质，TAT - TAT视紫红质，XR -黄视紫红质，P1 -未命名支，包括QsActR, KrActR和相关视紫红质，P3和P4 -目前未命名支。
图9 Kin4B8结构特征。
一个，玉米黄质结合Kin4B8的Cryo-EM单颗粒分析。b， Kin4B8晶体结构与低温电镜的比较。c，玉米黄质的Cryo-EM密度，可以明确识别分子。特别是，接近开窗的一半玉米黄质的分辨率足够高，可以识别其羟基环的二甲基。d， Kin4B8寡聚物结构比较，美国红的Xr (pdb id:3 ddl)， br (pdb id:1 c3w)， GPR (pdb id:7 b03)．在ECL1薄片内部，Kin4B8形成了一个六聚体，方向与晶体填料中的膜对齐。五聚体结构将反映一种生理条件，与先前报道的头尾二聚体形成对比美国红的XR。e， Kin4B8的结构比较美国红的Xr (pdb id:3 ddl)，菌视紫红质(BR) (PDB ID:1 c3w)和GPR (PDB ID:7 b03)，其均方根偏差(RMSD)分别为1.44、1.96和2.61 Å。值得注意的是，n端区域(残基6-11)和ECL1形成了一个3链反平行β-薄片，如美国红的XR和其他欧米茄视紫红质。fKin4B8中关键的视紫红质质子泵基序。黑色虚线表示氢键相互作用。红色球体表示水分子。
扩展数据图10基于数据的开窗XRs和pr的全球分布塔拉海洋数据。
来自海洋微生物参考目录v.2的视紫红质序列被分为具有典型DTE基序的pr和XRs序列，以及在XR 156位有大量残基(Phe或Trp)或Gly的序列。单个饼图按位置表示开孔PR(黄色)和非开孔PR(蓝色)和XRs之间的比例，图的大小与DTE PR编码orf和xr编码orf的总丰度成正比(一个)和相对于10个单拷贝标记的丰度(b)．
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引用本文
查赞，A.，达斯，I.，藤原，T.。et al。水生环境中含有视紫红质泵的光养作用。自然(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-023-05774-6
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05774-6
