朱修安

朱修安
Chu, Hsiu-An
副研究員

美國加州大學河濱分校生化博士 (1994)

TEL: 

+886-2-2787-1169 (Office)
+886-2-2787-1047 (Lab)

光合作用反應中心的結構和分子機制的研究 

為解決全球暖化和極端氣候的嚴峻挑戰,前年的巴黎全球氣候峰會,訂下全球氣溫上升幅度不得較工業革命時代高出攝氏2度的目標,所有國家都必須減少使用石化燃料, 積極推動再生能源, 才有可能達到減碳的目標。 微藻能夠進行光合作用快速和有效的固定空氣中的二氧化碳,因此是重要的再生能源的選項。 研究微藻光合作用和光保護的分子機制,可能找出增進微藻生質能源效率和產量的可行方式,因此深具學術和應用價值。 我們實驗室的主要研究興趣是要了解植物和藍綠藻光合作用反應中心光系統二的結構功能和分子機制。 目前本實驗室正在積極進行的研究主題包括 (一) 光系統二的細胞色素b559的光保護分子機制,(二) 光系統二QC結合位置的生理功能和QC結合位置的定點突變株生質能源的應用潛能。 我們的研究方法結合了分子光譜學、基因體和定量蛋白質體學、和生物化學等結構功能分析技術。 目前人類面對全球暖化造成的極端氣候影響, 節能減碳,開發再生能源是當務之急。 我們希望能應用光合作用的分子機制研究成果提供解決上述重大問題的方案。

本實驗室第一項重要的研究目標是探討光系統二的細胞色素b559的光保護分子機制。細胞色素b559 是光系統二反應中心的重要組成。過去的研究提出假說認為細胞色素b559在光抑制的條件下能夠透過次級電子傳遞路徑,提供電子或是接受電子,避免光系統二受到光抑制的傷害。然而上述關於細胞色素b559生理功能的假說一直未能以定點突變株的實驗證實。 為了探討細胞色素b559的生理功能,本實驗室過去在細胞色素b559的血紅素分子鍵結的位置(包括Histidine ligands和鄰近的3個Arginine residues)建構了一系列的模式藍綠藻Synechocystis PCC6803單點突變株,鑑定出一些具有穩定光系統二組成的突變株,並分離這些突變株的光系統二膜蛋白質複合體,進行詳細的光譜,生化和功能分析,提供細胞色素b559具有光保護生理功能的重要結構證據 (Chiu et al., BBA Bioenergetics 2013; Chu and Chiu, Frontiers in Plant Science 2016)。

第二項重要的研究目標是探討光系統二QC結合位置的生理功能和QC結合位置的定點突變株生質能源的應用潛能。 過去2.9Å的溫泉藍綠菌光系統二結晶結構中,在細胞色素b559附近發現了一個新的plastoquinone(PQ)的分子結合的位置,目前生理功能並不清楚。我們根據光系統二的結晶結構,在模式藍綠菌Synechocystis PCC6803上QC結合位置和QC通道靠近光系統二外部進出口處附近構築了一系列的定點突變株,我們的葉綠素螢光分析的實驗結果顯示A16FJ,V32Fb, S23Aa 和S28Ab的突變株在在中強度(~60 mE m-2s-1)藍光的條件下天線蛋白質狀態轉變的現象相較於野生型更為顯著;在強(~400 mE m-2s-1)藍光的條件下,A16FJ,V32Fb, S23Aa 和S28Ab的突變株的藍光引起的熱消散的效應相較於野生型明顯受到抑制。在正常生長條件下,這些定點突變株的光合作用生長速率比野生型的藍綠菌增加1.1倍,生物質量則是比野生型的藍綠菌增加了30-40%。 我們推測這些突變株在一般生長光照的條件下,可能因為促進了天線蛋白質狀態轉變的現象並且部分抑制了藍光引發的熱消散的作用,而比野生型藍綠菌具有更高的光合作用效率和生質能產量的潛力(Huang et al., Biochemistry 2016),目前我們正在進行美國,中國大陸和台灣的專利申請。

 

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  1. 美國發明專利申請案第14/820,866號;發明名稱:MUTANT CYANOBACTERIA AND METHOD TO ENHANCE PHOTOSYNTHETIC GROWTH AND BIOMASS PRODUCTION OF CYANOBACTERIA. Inventors: Chu HA* and Huang JY, 申 請 人:中央研究院, 公開日 : 2016年03月03日, 公開號 : US-2016-0060604-A1.

  2. Huang JY, Chiu YF, Ortega JM, Wang HT, Tseng TS, Ke SC, Roncel M, Chu HA*. (2016) Mutations of cytochrome b559 and PsbJ on and near the QC site in photosystem II influence the regulation of short-term light response and photosynthetic growth of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Biochemistry, 55, 2214–2226.

  3. Chu HA*, Chiu YF. (2016) The roles of cytochrome b 559 in assembly and photoprotection of photosystem II revealed by site-directed mutagenesis studies. Front Plant Sci. 6:1261. (mini-review)

  4. Sheue CR*, Ho JF, Yao AW, Wu YH, Liu JW, Sauren D, Tsai CC, Chu HA, Chesson P, Ku MSB. (2015) A Variation on
    chloroplast development: the bizonoplast and photosynthetic efficiency in the deep shade plant Selaginella erythropus.
    American J. Botany 102: 1 – 12.

  5. Chu HA*. (2013) Fourier transform infrared difference spectroscopy for studying the molecular mechanism of photosynthetic
    water oxidation. Front Plant Sci. 4:146 (mini Review)

  6. Chiu YF, Chen YH, Roncel M, Dilbeck PL, Huang JY, Ke SC, Ortega JM, Burnap RL, Chu HA*. (2013) Spectroscopic and
    functional characterization of cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 mutants on the cytoplasmic-side of cytochrome
    b559 in photosystem II. Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics. 1827: 507-519.

  7. Chen YT, Shen CH, Lin WD, Chu HA, Huang BL, Kuo CI, Yeh KW, Huang LC, Chang IF*. (2013) Small RNAs of Sequoia
    sempervirens during rejuvenation and phase change. Plant Biology. 15: 27-36

  8. Chu HA, Chang IF, Shen CH, Chen YT, Wang HT, Huang LC, Yeh KW*. (2012) Photosynthetic properties and photosystem
    stoichiometry of in vitro-grown juvenile, adult, and rejuvenated Sequoia sempervirens (D. Don) Endl. Botanical Studies.
    53: 223-227.

  9. Wang TH, Chen YH, Huang JY, Liu KC, Ke SC, Chu HA*. (2011) Enzyme kinetics, inhibitors, mutagenesis and EPR analysis
    of the dual-affinity nitrate reductase in unicellular N2-fixing cyanobacterium Cyanothece sp. PCC8801. Plant Physio.
    Biochem. 49: 1369-1376.

  10. Hou LH, Wu CM and Chu HA*. (2011) Effects of ammonia on active water molecules of the oxygen-evolving complex in
    photosystem II as revealed by light-induced FTIR difference spectroscopy. Biochemistry 50: 9248-9254.

  11. Hung CH, Hwang HJ, Chen YH, Chiu YF, Ke SC, Burnap RL, Chu HA*. (2010) Spectroscopic and functional characterizations
    of Synechocystsis 6803 mutant on and near the heme axial-ligand of cytochrome B559 in photosystem II. J. Biol.
    Chem. 285: 5653-5663.

  12. Chang IF*, Chen PJ, Shen CH, Hsieh TJ, Hsu YW, Huang BL, Kuo CI, Chen YT, Chu HA, Yeh KW, Huang LC. (2010)
    Proteomic profiling of proteins associated with the rejuvenation of Sequoia sempervirens (D. Don) Endl. Proteome Science
    8: 64.

  13. Chiu YF, Lin WC, Wu CM, Chen YH, Hung CH, Ke SC, Chu HA*. (2009) Identification and characterization of a cytochrome
    b559 Synechocystsis 6803 mutant spontaneously generated from DCMU-inhibited photoheterotrophical growth
    conditions. Biochim. Biophys. Acta, Bioenergetics 1787: 1179-1188.

Research assistants:

黃俊揚 (Jine-Yung Huang)

洪念慈 (Nien-Tzu Hung)

林耕民 (Keng-Min Lin)

Postdoctoral research fellow:

邱宜芳 (Yi-Fang Chiu)