■本報記者 李晨陽

近日，中科院凝練總結出59項“率先行動”計劃第一階段重大科技成果及標志性進展。“光合作用光系統(tǒng)等超大分子復合體的結構、功能與調(diào)控”名列其中。

光合作用為地球上幾乎所有生命提供了賴以生存的物質和能量。“生物體內(nèi)的光合作用復合體就像一個個小工廠的不同功能單元，既有向外捕獲光能的‘天線系統(tǒng)’單元，也有進行能量轉化反應的‘反應中心’單元。”中科院生物物理研究所（以下簡稱生物物理所）研究員柳振峰對《中國科學報》說，“解析它們的結構，就像搞清楚一個生產(chǎn)車間裝配線上的設備和物料是怎么排列的。這對理解地球生命能量工廠的運作原理至關重要。”

中科院在光合作用研究領域有數(shù)十年的積淀，近年來更是在揭示相關復雜超分子體系的精密裝配、工作原理以及調(diào)控機制方面，取得了一系列重大成果。

向更高的分辨率進軍

“生命科學領域里，光合作用是一個長盛不衰的課題。”生物物理所研究員李梅說。200余年間，國際上與光合作用相關的研究成果已經(jīng)十余次問鼎諾貝爾獎。

然而，關于植物光系統(tǒng)Ⅱ的結構生物學研究卻一直相對滯后。多年來，國內(nèi)外許多科研團隊都在為解析其高分辨率三維結構而競跑，但要么鎩羽而歸，要么遲遲難以突破。

直到2016年，生物物理所生物大分子國家重點實驗室柳振峰課題組、章新政課題組和常文瑞—李梅課題組組成的聯(lián)合研究團隊，在國際上首次解析了菠菜光系統(tǒng)Ⅱ—捕光天線超級復合物的高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了捕光天線與光系統(tǒng)Ⅱ核心復合物之間的相互裝配機制和能量傳遞途徑。

這是一個重大突破。

玉米葉片、小白菜、菠菜……在常見的高等植物中，研究人員發(fā)現(xiàn)用菠菜葉片制備出的樣品具有最好的均一性。然而他們也知道，早些年國際上一個非常著名的科研團隊也在用菠菜材料做類似的工作，但是效果一直不夠理想。

研究團隊仔細分析了其中的原因，發(fā)現(xiàn)問題出在樣品制備和保存的流程及條件不夠完善，冷凍電鏡設備、技術和方法都沒有達到最佳狀態(tài)上。他們意識到，這其中還有很大的提升空間。

“我們的目標是什么？要做多高的分辨率？”擅長冷凍電鏡技術的章新政問。

“為了區(qū)分復合體中不同類型的色素分子，我們需要朝著2.7埃或更高的目標去做。”柳振峰回答。

為了實現(xiàn)這個目標，章新政課題組研發(fā)出了新的三維重構算法。三個課題組通力合作，在前期3.2埃的分辨率基礎上，進一步將超級復合物的分辨率提高到了2.7埃。

“雖然總體分辨率在數(shù)值上只提高了0.5埃，看似很小，但是最終三維重構結果的圖中能更清楚地分辨不同氨基酸的側鏈，觀察到氧原子的突起，并可以區(qū)分不同的色素分子。后續(xù)工作中，我們團隊又合作解析了更復雜的植物光系統(tǒng)Ⅱ—捕光天線超級復合物以及多個光合作用捕光和電子傳遞調(diào)控相關超級復合物的冷凍電鏡結構。”章新政說。

老牌團隊的新突破

除了我們最為熟悉的各種綠色植物外，地球上的光合生物還包括光合細菌、原核藍細菌、真核藻類等。不同光合生物的光系統(tǒng)有著不同的結構和組分。

在生物物理所對菠菜等高等植物潛心鉆研時，中科院植物研究所（以下簡稱植物所）把目光投向了藻類。

植物所研究員沈建仁和中科院院士匡廷云團隊，已經(jīng)在光合作用研究領域耕耘了30余年，是一支“老”牌的“先”鋒隊。

“硅藻具有特殊的捕光天線蛋白，被稱為巖藻黃素葉綠素a/c結合蛋白（FCP）。但是FCP復合體的結構長期無法被解析，很大程度上限制了在分子水平上對硅藻光合作用機理的研究。”沈建仁告訴《中國科學報》，“我們的工作第一次報道了硅藻FCP的結構。”

硅藻光系統(tǒng)Ⅱ-FCPⅡ復合體很適合用冷凍電鏡技術來解析。但是冷凍電鏡對樣品的要求很高。他們通過優(yōu)化和提高蛋白分離提純方法，獲得了高純度、高活性、高均一性的膜蛋白樣品。憑借樣品純化優(yōu)勢和制備高分辨率晶體的經(jīng)驗，他們很快獲得了規(guī)則的硅藻FCP晶體。研究人員還巧妙地解決了FCP蛋白的相位問題，解析出了三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃分辨率的晶體結構。

之后，他們還和清華大學隋森芳研究組合作，兩個團隊分別發(fā)揮在樣品提純和電鏡解析方面的優(yōu)勢，解析了中心綱硅藻光系統(tǒng)Ⅱ-FCPⅡ超級復合體3.0埃分辨率的結構。

經(jīng)過近6年的刻苦攻關，科研人員取得了硅藻光合膜蛋白的第一個晶體結構和光系統(tǒng)Ⅱ-FCPⅡ超大復合體的冷凍電鏡結構，兩項研究結果都發(fā)表于《科學》雜志。

從“率先行動”走向率先成功

這些成果不僅分別入選2016和2019年度的中國科學十大進展，也彰顯了中國在光合作用研究領域的世界領先地位。

幾位研究者表示，中科院“率先行動”計劃給予的穩(wěn)定支持，起到了非常重要的作用。

“四類機構改革以來，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創(chuàng)新中心，給我們的工作帶來了很大助力。這種支持絕不僅僅體現(xiàn)在經(jīng)費上。”李梅說，“光合作用領域是一個熱鬧的競技場，國際上許多團隊都在爭先恐后。進入卓越創(chuàng)新中心后，研究所在冷凍電鏡機時和設備條件保障等方面為光合作用研究的順利開展給予傾斜支持，這對我們團隊率先取得成果助益頗大。”

此外，生物物理所和植物所的兩項工作還得到了中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的大力支持。在“生物大分子復合體結構與功能的跨尺度研究”和“能源化學轉化的本質與調(diào)控”等先導專項的支持下，他們有關光合作用的研究有望做出新的基礎研究成果，發(fā)揮更大的應用價值。

“光合作用不僅僅是一種自然現(xiàn)象，它對能源、糧食、環(huán)境等人類社會問題也具有啟示意義。”沈建仁說，“我們的工作有助于科學家通過人工模擬光合作用的機理，從太陽能取得清潔可再生能源；并有助于指導設計高光效的新型作物。”

在“率先行動”計劃的大力支持下，中科院超大分子復合體結構與功能的研究隊伍，不僅在光合作用復合體中取得重大突破，還取得了包括TRIC-B通道門控機制、脂多糖跨細菌膜轉運機制、卵子獨特表觀遺傳狀態(tài)建立機制、組蛋白乙酰轉移酶活性的調(diào)控機制，酰基轉移酶蛋白DLtB結構、分枝桿菌能量代謝系統(tǒng)結構等諸多重要成就。