中國科學家破解光合作用最重要“超分子機器”

　　植物光合作用的最初光能吸收和轉換的過程由三個復合體協同完成，科學家稱之為“超分子機器”。其中，“光系統II”位于最上游，極其重要，其結構解析的難度非常大。

　　5月20日，中國科學院生物物理研究所在北京召開新聞發布會宣布，該所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞-李梅研究組通力合作，首次解析了菠菜光系統II-捕光復合物II超級膜蛋白復合體（PSII-LHCII supercomplex）的高精度三維結構。該項研究工作于北京時間5月19日在《自然》（Nature）期刊作為長篇主題論文（Article）在線發表。

　　柳振峰告訴科學網記者，在單顆粒冷凍電鏡技術幫助下，研究人員發現，該復合體包含25個蛋白亞基、105個葉綠素分子、28個類胡蘿卜素分子和眾多的其它輔因子，組成捕光天線系統、反應中心系統以及一個能在常溫常壓下裂解水釋放氧氣的放氧中心等三個部分的結構。在此基礎上，光系統II獲取、傳遞和轉換光能的機制也得以揭示。其中，圍繞在復合物外周的“捕光天線”促進了光系統II捕獲太陽能的能力。

　　光合作用中，光系統II扮演著將光能轉換成電能和裂解水的重要角色，被認為是人工模擬光合作用的理想模板。近年來，科學家對藍細菌、藻類和高等植物的光系統II進行了結構解析。之前圍繞植物光系統II解析結果的精度不夠高，結構不完整，科學家無法準確認識植物光系統II的工作機制。“由于高等植物的光系統II的復雜性質，穩定均一的樣品一直難以獲得，三維結晶工作遇到瓶頸。”柳振峰表示。

　　為攻克樣品制備的難題，常文瑞-李梅研究組對十幾種不同植物開展研究。李梅說：“每次到市場買研究用的蔬菜，都是十斤十斤地買，已經記不清買了多少次。”研究人員選取了不同來源、不同組成的光系統II超大復合物進行比較，優化出高等植物光系統II超大膜蛋白復合物樣品的分離制備的流程，為后續實驗獲得了高質量的樣品。

　　2015年開始，章新政研究組加入團隊，嘗試以最先進的冷凍電子顯微鏡技術解析該超級復合物的三維結構。章新政告訴科學網記者，經過初步照片、冷凍制樣和冷凍電鏡數據、建立三維結構初始模型、將三維結構推進到中等分辨率等步驟，菠菜光系統II的復合物終于清晰地呈現出來，精度達到3.2埃分辨率。“每一步都遇到了極大的困難和挑戰。”他說。

　　這項工作得到了中國科學院B類先導《生物超大分子復合體的結構、功能與調控》專項、科技部973重大科學問題導向項目《光合作用與“人工葉片”》和自然科學基金的共同資助。有關研究在中科院生物物理研究所生物大分子國家重點實驗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II 的“捕光天線”的晶體結構，這是世界上首個源于高等植物光系統II的光合膜蛋白高分辨率晶體結構，促進我國在光合作用捕光機理和膜蛋白結構生物學方面的研究進入世界先進行列。