植物光合作用“從水到氧”過程被成功拍到，采用飛秒級 X 射線

2月12日消息，據(jù)日本岡山大學(xué)官網(wǎng)消息，該校沈建仁教授等人成功捕捉到了負(fù)責(zé)植物光合作用的蛋白質(zhì)中存在的催化劑吸收水分子的瞬間。

▲ 圖源日本岡山大學(xué)官網(wǎng)，下同

在光合作用中，稱為光系統(tǒng) II 的膜蛋白復(fù)合物利用光能從水分子產(chǎn)生氧分子。研究團(tuán)隊使用飛秒 X 射線自由電子激光器，進(jìn)行持續(xù)數(shù)十飛秒（femto second，1 秒的 1000 萬億分之一）的 X 射線閃光拍攝，成功地捕獲了光系統(tǒng) II 的“翹椅”形催化劑吸收水分子并準(zhǔn)備生成氧分子的事件序列。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在光系統(tǒng) II 內(nèi)部，蛋白質(zhì)、水分子、捕光色素等像管弦樂隊一樣協(xié)同工作，促進(jìn)水的運(yùn)動和氫離子的排出。團(tuán)隊首次觀察到由于該作用而增加了流動性的水分子短暫地與催化劑結(jié)合，然后被吸收到催化劑中。這些結(jié)果闡明了光合作用過程中形成氧分子的反應(yīng)機(jī)制。

▲光系統(tǒng) II 總體結(jié)構(gòu)，紅色圈出的部分是促使反應(yīng)進(jìn)行的催化劑

這項研究結(jié)果不僅闡明了光合作用過程中從水分子中提取氫離子和電子的機(jī)制，還回答了水分子何時何地到達(dá)催化劑的問題，為設(shè)計利用光分解水的人工光合催化劑提供了重要指導(dǎo)。

這一成果已發(fā)表于《Nature》雜志，沈建仁教授課題組博士后李洪杰和助理教授中島芳樹為該論文的第一作者。沈健仁教授與菅倫寛教授為該論文的共同通訊作者。

▲光系統(tǒng) II 從吸收光到準(zhǔn)備好形成氧氣的動態(tài)結(jié)構(gòu)

菅倫寛教授表示：“這一結(jié)果具有開創(chuàng)性，因為它以極快的頻閃攝影捕捉到了光合作用反應(yīng)，捕捉到了以前無法看到的蛋白質(zhì)高速運(yùn)動。從研究開始到取得成果共歷時五年，高質(zhì)量的光系統(tǒng) II 樣品、先進(jìn)的 X 射線自由電子激光技術(shù)以及研究團(tuán)隊之間的密切合作對于這項研究至關(guān)重要。我感謝我的同事和實驗室成員。”

IT之家查詢獲悉，沈建仁教授在 2011 年發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)光合作用的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，被提名為諾貝爾獎候選人。他大學(xué)畢業(yè)于浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)（現(xiàn)浙江大學(xué)）環(huán)境保護(hù)系，后前往日本深造，現(xiàn)任日本岡山大學(xué)異分野基礎(chǔ)科學(xué)研究所所長，他還擔(dān)任中國科學(xué)院植物研究所研究員。