本報(bào)訊（記者甘曉）植物光合作用最初光能吸收和轉(zhuǎn)換的過(guò)程由三個(gè)復(fù)合體協(xié)同完成，科學(xué)家稱之為“超分子機(jī)器”。其中，“光系統(tǒng)II”位于最上游，極其重要，其結(jié)構(gòu)解析難度非常大。
5月20日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所在京召開新聞發(fā)布會(huì)宣布，該所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞—李梅研究組合作，首次解析了菠菜光系統(tǒng)II-捕光復(fù)合物II超級(jí)膜蛋白復(fù)合體（PSII-LHCII）的高精度三維結(jié)構(gòu)。該研究于5月19日作為長(zhǎng)篇主題論文在線發(fā)表于《自然》。
柳振峰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，在單顆粒冷凍電鏡技術(shù)幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合體包含25個(gè)蛋白亞基、105個(gè)葉綠素分子、28個(gè)類胡蘿卜素分子和眾多的其他輔因子，組成捕光天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心系統(tǒng)以及一個(gè)能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心等三個(gè)部分的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，光系統(tǒng)II獲取、傳遞和轉(zhuǎn)換光能的機(jī)制也得以揭示。其中，圍繞在復(fù)合物外周的“捕光天線”促進(jìn)了光系統(tǒng)II捕獲太陽(yáng)能的能力。
光合作用中，光系統(tǒng)II扮演著將光能轉(zhuǎn)換成電能和裂解水的重要角色，被認(rèn)為是人工模擬光合作用的理想模板。近年來(lái)，科學(xué)家對(duì)藍(lán)細(xì)菌、藻類和高等植物的光系統(tǒng)II進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析。之前由于植物光系統(tǒng)II解析結(jié)果精度不夠高、結(jié)構(gòu)不完整，科學(xué)家無(wú)法準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)植物光系統(tǒng)II的工作機(jī)制。“由于高等植物的光系統(tǒng)II的復(fù)雜性質(zhì)，穩(wěn)定均一的樣品一直難以獲得，三維結(jié)晶工作遇到瓶頸。”柳振峰表示。
為攻克樣品制備的難題，常文瑞—李梅研究組對(duì)十幾種不同植物開展研究。李梅說(shuō)：“每次到市場(chǎng)買研究用的蔬菜，都是十斤十斤地買，已經(jīng)記不清買了多少次。”研究人員選取了不同來(lái)源、不同組成的光系統(tǒng)II超大復(fù)合物進(jìn)行比較，優(yōu)化出高等植物光系統(tǒng)II超大膜蛋白復(fù)合物樣品的分離制備的流程，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)獲得了高質(zhì)量的樣品。
從2015年開始，章新政研究組加入團(tuán)隊(duì)，嘗試以最先進(jìn)的冷凍電子顯微鏡技術(shù)解析該超級(jí)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)。章新政告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，經(jīng)過(guò)初步照片、冷凍制樣和冷凍電鏡數(shù)據(jù)、建立三維結(jié)構(gòu)初始模型、將三維結(jié)構(gòu)推進(jìn)到中等分辨率等步驟，菠菜光系統(tǒng)II的復(fù)合物終于清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，精度達(dá)到3.2埃分辨率。“每一步都遇到了極大的困難和挑戰(zhàn)。”他說(shuō)。
這項(xiàng)工作得到了中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)《生物超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控》專項(xiàng)、科技部“973”重大科學(xué)問(wèn)題導(dǎo)向項(xiàng)目《光合作用與“人工葉片”》和自然科學(xué)基金的共同資助。有關(guān)研究在中科院生物物理研究所生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中科院生物大分子卓越中心完成。
此前，常文瑞課題組曾于2004年用X射線晶體衍射的方式成功解析了菠菜光系統(tǒng)II的“捕光天線”的晶體結(jié)構(gòu)，這是世界上首個(gè)源于高等植物光系統(tǒng)II的光合膜蛋白高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)我國(guó)在光合作用捕光機(jī)理和膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面的研究進(jìn)入世界先進(jìn)行列。
