揭秘光合作用能量工厂 | “率先行动”计划

近日，中科院凝练总结出59项“率先行动”计划第一阶段重大科技成果及标志性进展。“光合作用光系统等超大分子复合体的结构、功能与调控”名列其中。

光合作用为地球上几乎所有生命提供了赖以生存的物质和能量。“生物体内的光合作用复合体就像一个个小工厂的不同功能单元，既有向外捕获光能的‘天线系统’单元，也有进行能量转化反应的‘反应中心’单元。”中科院生物物理研究所（以下简称生物物理所）研究员柳振峰对《中国科学报》说，“解析它们的结构，就像搞清楚一个生产车间装配线上的设备和物料是怎么排列的。这对理解地球生命能量工厂的运作原理至关重要。”

中科院在光合作用研究领域有数十年的积淀，近年来更是在揭示相关复杂超分子体系的精密装配、工作原理以及调控机制方面，取得了一系列重大成果。

向更高的分辨率进军

“生命科学领域里，光合作用是一个长盛不衰的课题。”生物物理所研究员李梅说。200余年间，国际上与光合作用相关的研究成果已经十余次问鼎诺贝尔奖。

然而，关于植物光系统Ⅱ的结构生物学研究却一直相对滞后。多年来，国内外许多科研团队都在为解析其高分辨率三维结构而竞跑，但要么铩羽而归，要么迟迟难以突破。

直到2016年，生物物理所生物大分子国家重点实验室柳振峰课题组、章新政课题组和常文瑞—李梅课题组组成的联合研究团队，在国际上首次解析了菠菜光系统Ⅱ—捕光天线超级复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了捕光天线与光系统Ⅱ核心复合物之间的相互装配机制和能量传递途径。

这是一个重大突破。

玉米叶片、小白菜、菠菜……在常见的高等植物中，研究人员发现用菠菜叶片制备出的样品具有最好的均一性。然而他们也知道，早些年国际上一个非常著名的科研团队也在用菠菜材料做类似的工作，但是效果一直不够理想。

研究团队仔细分析了其中的原因，发现问题出在样品制备和保存的流程及条件不够完善，冷冻电镜设备、技术和方法都没有达到最佳状态上。他们意识到，这其中还有很大的提升空间。

“我们的目标是什么？要做多高的分辨率？”擅长冷冻电镜技术的章新政问。

“为了区分复合体中不同类型的色素分子，我们需要朝着2.7埃或更高的目标去做。”柳振峰回答。

为了实现这个目标，章新政课题组研发出了新的三维重构算法。三个课题组通力合作，在前期3.2埃的分辨率基础上，进一步将超级复合物的分辨率提高到了2.7埃。

“虽然总体分辨率在数值上只提高了0.5埃，看似很小，但是最终三维重构结果的图中能更清楚地分辨不同氨基酸的侧链，观察到氧原子的突起，并可以区分不同的色素分子。后续工作中，我们团队又合作解析了更复杂的植物光系统Ⅱ—捕光天线超级复合物以及多个光合作用捕光和电子传递调控相关超级复合物的冷冻电镜结构。”章新政说。

老牌团队的新突破

除了我们最为熟悉的各种绿色植物外，地球上的光合生物还包括光合细菌、原核蓝细菌、真核藻类等。不同光合生物的光系统有着不同的结构和组分。

在生物物理所对菠菜等高等植物潜心钻研时，中科院植物研究所（以下简称植物所）把目光投向了藻类。

植物所研究员沈建仁和中科院院士匡廷云团队，已经在光合作用研究领域耕耘了30余年，是一支“老”牌的“先”锋队。

“硅藻具有特殊的捕光天线蛋白，被称为岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白（FCP）。但是FCP复合体的结构长期无法被解析，很大程度上限制了在分子水平上对硅藻光合作用机理的研究。”沈建仁告诉《中国科学报》，“我们的工作第一次报道了硅藻FCP的结构。”

硅藻光系统Ⅱ-FCPⅡ复合体很适合用冷冻电镜技术来解析。但是冷冻电镜对样品的要求很高。他们通过优化和提高蛋白分离提纯方法，获得了高纯度、高活性、高均一性的膜蛋白样品。凭借样品纯化优势和制备高分辨率晶体的经验，他们很快获得了规则的硅藻FCP晶体。研究人员还巧妙地解决了FCP蛋白的相位问题，解析出了三角褐指藻FCP二聚体的1.8埃分辨率的晶体结构。

之后，他们还和清华大学隋森芳研究组合作，两个团队分别发挥在样品提纯和电镜解析方面的优势，解析了中心纲硅藻光系统Ⅱ-FCPⅡ超级复合体3.0埃分辨率的结构。

经过近6年的刻苦攻关，科研人员取得了硅藻光合膜蛋白的第一个晶体结构和光系统Ⅱ-FCPⅡ超大复合体的冷冻电镜结构，两项研究结果都发表于《科学》杂志。

从“率先行动”走向率先成功

这些成果不仅分别入选2016和2019年度的中国科学十大进展，也彰显了中国在光合作用研究领域的世界领先地位。

几位研究者表示，中科院“率先行动”计划给予的稳定支持，起到了非常重要的作用。

“四类机构改革以来，依托生物物理所新成立的中科院生物大分子科教融合卓越创新中心，给我们的工作带来了很大助力。这种支持绝不仅仅体现在经费上。”李梅说，“光合作用领域是一个热闹的竞技场，国际上许多团队都在争先恐后。进入卓越创新中心后，研究所在冷冻电镜机时和设备条件保障等方面为光合作用研究的顺利开展给予倾斜支持，这对我们团队率先取得成果助益颇大。”

此外，生物物理所和植物所的两项工作还得到了中科院战略性先导科技专项的大力支持。在“生物大分子复合体结构与功能的跨尺度研究”和“能源化学转化的本质与调控”等先导专项的支持下，他们有关光合作用的研究有望做出新的基础研究成果，发挥更大的应用价值。

“光合作用不仅仅是一种自然现象，它对能源、粮食、环境等人类社会问题也具有启示意义。”沈建仁说，“我们的工作有助于科学家通过人工模拟光合作用的机理，从太阳能取得清洁可再生能源；并有助于指导设计高光效的新型作物。”

在“率先行动”计划的大力支持下，中科院超大分子复合体结构与功能的研究队伍，不仅在光合作用复合体中取得重大突破，还取得了包括TRIC-B通道门控机制、脂多糖跨细菌膜转运机制、卵子独特表观遗传状态建立机制、组蛋白乙酰转移酶活性的调控机制，酰基转移酶蛋白DLtB结构、分枝杆菌能量代谢系统结构等诸多重要成就。