植物界又一个长达50多年的谜案告破。一种名为NTT的蛋白质，原先是一部分特殊衣原体用来“窃取”宿主细胞能量的作案工具，却在进化过程中被植物“偷”来，成了叶绿体、淀粉体等细胞器的关键装备。3月13日零点，这项由中国科学家经过两年多合作获得的成果在线发表于国际权威学术期刊《自然》上。这一谜案的破解，将为治疗相关疾病的药物设计、改造蛋白提高作物产量提供重要思路。

这次新发现由中国科学院分子植物科学卓越创新中心范敏锐研究员团队联合西湖大学吴旭冬研究员团队、复旦大学张金儒研究员团队和浙江大学苏楠楠研究员团队共同完成。他们在世界上首次解析了病原体与植物叶绿体ATP运输蛋白的三维结构及运输ATP的分子机制。

众所周知，所有生物体都依赖能量来维持基本的生理功能，腺苷三磷酸（ATP）则是细胞内主要能量“充电宝”。在自然界中，有一类被称为“专性胞内病原体”的特殊微生物，它们必须寄生在宿主细胞内部才能存活，包括沙眼衣原体、肺炎衣原体、立克次氏体、微孢子虫等。

过去研究发现，这些专性胞内病原体由于自身能量代谢能力退化，无法独立产生足够ATP，因此必须“窃取”宿主细胞中的ATP来获取能量——其细胞膜上存在一种ATP运输蛋白NTT，通过等量交换ATP及其水解产物核苷二磷酸（ADP）和磷酸根，持续从宿主细胞获取能量，确保自身生存繁殖。

病原体和叶绿体的能量分子ATP运输蛋白

有趣的是，这类蛋白也存在于植物叶绿体等质体细胞器中。过去就有假说认为，最初的真核细胞曾吞噬了衣原体，将其中的NTT蛋白在进化过程中保留下来，成为叶绿体和其他质体（如淀粉体）中的关键部分，帮助它们高效利用细胞能量。不过，尽管NTT研究已有50多年，但其具体的ATP识别和跨膜运输机制仍不清晰。

2022年9月，从美国斯坦福大学学成回国的范敏锐来到分子植物卓越中心组建自己的研究团队，并尝试解开这一谜团。他们与合作者解析了肺炎衣原体和植物叶绿体ATP运输蛋白的高分辨率三维结构，发现二者结构高度相似，从而印证了“叶绿体ATP运输蛋白来源于衣原体”的假说。同时，研究还发现，ATP结合位点位于NTT蛋白中央，NTT的前后两半部分可相对摆动，促进ATP的结合、跨膜运输和释放。

NTT介导的ATP跨膜运输过程

据世界卫生组织统计，2020年全球约有1.29亿例衣原体感染，造成巨大的医疗和经济负担，且人类目前尚无疫苗对付这类病原体。该研究为开发针对专性胞内病原体的新型抗生素提供了分子基础。此外，该研究不仅深化了对叶绿体内共生过程中跨膜能量传递机制的理解，也有助于改造ATP运输蛋白提升作物光合作用效率和农业增产。