破解光合作用神秘機制：中國跨出重要一步

　　PsbS整體結構。a. PsbS單體結構飄帶示意圖；b. PsbS二體結構示意圖；c. PsbS二體界面處結合的葉綠素a；d. PsbS二體結合的qE抑制劑DCCD。生物物理所供圖

　　■本報記者 王晨緋

　　植物的光合作用，是地球上最為有效的固定太陽光能的過程，人類所大量消耗的石油、天然氣等，其實都是遠古時期植物光合作用的直接和間接產物。

　　地球每年經光合作用產生的物質有1730億~2200億噸，其中蘊含的能量相當于全世界能源消耗總量的10倍~20倍，但目前的利用率不到3%。光合作用是高效利用太陽能的最好榜樣，破解光合作用神秘機制，將為建立“人工光合作用系統”，繼而開發清潔、高效的新能源提供結構基礎。

　　由中科院生物物理所研究員、中科院院士常文瑞帶領的團隊經過幾年時間，完成了菠菜主要捕光復合物的晶體結構測定，在光合膜蛋白研究領域取得系列重大成果。

　　2004年3月18日，《自然》雜志發表這一成果，封面上的“POWER PLANT”大字赫然，在國內外相關學術界引起強烈反響。

　　近日，常文瑞院士課題組又取得了一項新突破——解析了菠菜光保護蛋白PsbS活性狀態的2.35埃分辨率的晶體結構，博士生范敏銳是這項重要研究工作的具體承擔者。

　　兩年時間純化出蛋白

　　常文瑞院士課題組于四年前開展了PsbS的晶體結構研究。

　　“我就是那時進入課題組的，首先要摸索純化方案。”范敏銳在常文瑞院士和副研究員李梅的指導下，花了兩年時間將蛋白從菠菜葉中純化出來。

　　要獲得某種蛋白，常規的方法一般都是用外源表達體系來獲得，相對來講要容易一些，而常文瑞課題組則另辟蹊徑，選擇從菠菜葉中直接提取天然蛋白。

　　“每純化一次需要15斤菠菜，才能得到10毫克蛋白。”范敏銳笑言自己會像洗菜工一樣，每次都要買來15斤菠菜，先去掉壞葉子，用自來水洗三遍，再用單蒸水洗兩遍，在濾紙上吸走水分，才能榨汁離心提取到粗的樣品。

　　經過大量的摸索，他們建立了一個從菠菜葉片中大量純化PsbS的方案，并在純化和結晶的過程中一直維持酸性pH 值條件。

　　蛋白純化出來后，范敏銳發現蛋白是綠色的。據此他們推斷它應該結合了葉綠素，“這意味著它可能吸收光能并將其轉化成熱能，釋放出去。”當然，這僅僅是范敏銳的初步推斷。從純化出蛋白到最后解析了該蛋白的結構，又花了他們一年半時間。

　　揭示光保護機制奧秘

　　“植物與太陽光的關系可謂‘愛恨交加’，一方面光能對于植物進行光合作用是必需的，但另一方面過量的光能又會導致植物光合作用裝置的氧化性損傷，于是植物逐漸進化出了一種保護機制。”范敏銳向記者解釋說。

　　參與這種保護機制的就是光保護蛋白PsbS，早在2000年，美國一個研究小組就證明了光保護蛋白PsbS的關鍵作用——在高光照條件下，植物類囊體腔側的pH值會由正常條件下的6.5降低至5.5~5.8，從而激活嵌在類囊體膜上的光保護蛋白PsbS，并進而誘發一種非常有效的高光保護機制——能量依賴的淬滅（qE）。通過qE，植物可以把捕光復合物吸收的過量光能以熱的形式安全地耗散掉，從而減少或避免光氧化性損傷。但是對于PsbS是否結合色素一直存有爭議，其參與光保護作用的機制也并不清楚，解析其三維結構成為光合作用領域期待已久的研究課題。

　　而他們的研究價值正在于此。

　　科學家用純化的蛋白生長了晶體，并將晶體帶到上海以及日本的同步輻射光源進行X射線衍射實驗，最終解析了PsbS活性狀態的2.35埃分辨率的晶體結構。

　　“結構顯示PsbS由四段跨膜螺旋組成，其結構緊密，單體內部沒有色素結合位點，展現出與我們之前解析的同家族其他捕光復合物LHCII和CP29完全不同的結構特點。”范敏銳細致地觀察著這個讓他花了三年多才得到的寶貝。

　　而后一年的時間，他們結合晶體結構分析和一系列的生化實驗，證明了PsbS在低pH值下是一個緊密的二體，從而糾正了之前該領域的主流觀點，即PsbS在活性狀態下為單體。

    有趣的是，他們還發現低pH值下的PsbS二體界面處結合了一個葉綠素a，提示PsbS有可能在體內直接參與qE。這些研究結果為理解PsbS是如何被激活和抑制以及其參與qE的可能機制奠定了重要基礎。

　　該項研究成果已被國際著名期刊Nature Structural &Molecular Biology接收并在線發表。范敏銳為第一作者，常文瑞院士和副研究員李梅為通訊作者，研究員柳振峰也對本項研究作出重要貢獻。審稿專家稱本工作“非常令人興奮，并且帶來很多驚喜，為研究PsbS的功能提供了新的視角”，“跨出了重要的一步”，“是優秀的、領域內長時間期待的并且迫切需要的一項研究工作”。

　　“糧食作物經過光合作用生長，提高光合效率，產量就能提高。根據以往的研究，提高農作物的光保護能力，有望幫助提高糧食產量前景。”范敏銳認為此時他所做的基礎研究對以后應用有一定意義。