中国科学家破解光合作用重要“超分子机器”

植物光合作用的最初光能吸收和转换的过程由三个复合体协同完成，科学家称之为“超分子机器”。其中，“光系统II”位于最上游，极其重要，其结构解析的难度非常大。

5月20日，中国科学院生物物理研究所在北京召开新闻发布会宣布，该所柳振峰研究组、章新政研究组与常文瑞-李梅研究组通力合作，首次解析了菠菜光系统II-捕光复合物II超级膜蛋白复合体（PSII-LHCII supercomplex）的高精度三维结构。该项研究工作于北京时间5月19日在《自然》（Nature）期刊作为长篇主题论文（Article）在线发表。

柳振峰告诉科学网记者，在单颗粒冷冻电镜技术帮助下，研究人员发现，该复合体包含25个蛋白亚基、105个叶绿素分子、28个类胡萝卜素分子和众多的其它辅因子，组成捕光天线系统、反应中心系统以及一个能在常温常压下裂解水释放氧气的放氧中心等三个部分的结构。在此基础上，光系统II获取、传递和转换光能的机制也得以揭示。其中，围绕在复合物外周的“捕光天线”促进了光系统II捕获太阳能的能力。

光合作用中，光系统II扮演着将光能转换成电能和裂解水的重要角色，被认为是人工模拟光合作用的理想模板。近年来，科学家对蓝细菌、藻类和高等植物的光系统II进行了结构解析。之前围绕植物光系统II解析结果的精度不够高，结构不完整，科学家无法准确认识植物光系统II的工作机制。“由于高等植物的光系统II的复杂性质，稳定均一的样品一直难以获得，三维结晶工作遇到瓶颈。”柳振峰表示。

为攻克样品制备的难题，常文瑞-李梅研究组对十几种不同植物开展研究。李梅说：“每次到市场买研究用的蔬菜，都是十斤十斤地买，已经记不清买了多少次。”研究人员选取了不同来源、不同组成的光系统II超大复合物进行比较，优化出高等植物光系统II超大膜蛋白复合物样品的分离制备的流程，为后续实验获得了高质量的样品。

2015年开始，章新政研究组加入团队，尝试以最先进的冷冻电子显微镜技术解析该超级复合物的三维结构。章新政告诉科学网记者，经过初步照片、冷冻制样和冷冻电镜数据、建立三维结构初始模型、将三维结构推进到中等分辨率等步骤，菠菜光系统II的复合物终于清晰地呈现出来，精度达到3.2埃分辨率。“每一步都遇到了极大的困难和挑战。”他说。

这项工作得到了中国科学院B类先导《生物超大分子复合体的结构、功能与调控》专项、科技部973重大科学问题导向项目《光合作用与“人工叶片”》和自然科学基金的共同资助。有关研究在中科院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室和中科院生物大分子卓越中心完成。

此前，常文瑞课题组曾于2004年用X-射线晶体衍射的方式成功解析了菠菜光系统II 的“捕光天线”的晶体结构，这是世界上首个源于高等植物光系统II的光合膜蛋白高分辨率晶体结构，促进我国在光合作用捕光机理和膜蛋白结构生物学方面的研究进入世界先进行列。