破解光合作用神秘机制：中国跨出重要一步

PsbS整体结构。a. PsbS单体结构飘带示意图；b. PsbS二体结构示意图；c. PsbS二体界面处结合的叶绿素a；d. PsbS二体结合的qE抑制剂DCCD。生物物理所供图

■本报记者 王晨绯

植物的光合作用，是地球上最为有效的固定太阳光能的过程，人类所大量消耗的石油、天然气等，其实都是远古时期植物光合作用的直接和间接产物。

地球每年经光合作用产生的物质有1730亿~2200亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10倍~20倍，但目前的利用率不到3%。光合作用是高效利用太阳能的最好榜样，破解光合作用神秘机制，将为建立“人工光合作用系统”，继而开发清洁、高效的新能源提供结构基础。

由中科院生物物理所研究员、中科院院士常文瑞带领的团队经过几年时间，完成了菠菜主要捕光复合物的晶体结构测定，在光合膜蛋白研究领域取得系列重大成果。

2004年3月18日，《自然》杂志发表这一成果，封面上的“POWER PLANT”大字赫然，在国内外相关学术界引起强烈反响。

近日，常文瑞院士课题组又取得了一项新突破——解析了菠菜光保护蛋白PsbS活性状态的2.35埃分辨率的晶体结构，博士生范敏锐是这项重要研究工作的具体承担者。

两年时间纯化出蛋白

常文瑞院士课题组于四年前开展了PsbS的晶体结构研究。

“我就是那时进入课题组的，首先要摸索纯化方案。”范敏锐在常文瑞院士和副研究员李梅的指导下，花了两年时间将蛋白从菠菜叶中纯化出来。

要获得某种蛋白，常规的方法一般都是用外源表达体系来获得，相对来讲要容易一些，而常文瑞课题组则另辟蹊径，选择从菠菜叶中直接提取天然蛋白。

“每纯化一次需要15斤菠菜，才能得到10毫克蛋白。”范敏锐笑言自己会像洗菜工一样，每次都要买来15斤菠菜，先去掉坏叶子，用自来水洗三遍，再用单蒸水洗两遍，在滤纸上吸走水分，才能榨汁离心提取到粗的样品。

经过大量的摸索，他们建立了一个从菠菜叶片中大量纯化PsbS的方案，并在纯化和结晶的过程中一直维持酸性pH 值条件。

蛋白纯化出来后，范敏锐发现蛋白是绿色的。据此他们推断它应该结合了叶绿素，“这意味着它可能吸收光能并将其转化成热能，释放出去。”当然，这仅仅是范敏锐的初步推断。从纯化出蛋白到最后解析了该蛋白的结构，又花了他们一年半时间。

揭示光保护机制奥秘

“植物与太阳光的关系可谓‘爱恨交加’，一方面光能对于植物进行光合作用是必需的，但另一方面过量的光能又会导致植物光合作用装置的氧化性损伤，于是植物逐渐进化出了一种保护机制。”范敏锐向记者解释说。

参与这种保护机制的就是光保护蛋白PsbS，早在2000年，美国一个研究小组就证明了光保护蛋白PsbS的关键作用——在高光照条件下，植物类囊体腔侧的pH值会由正常条件下的6.5降低至5.5~5.8，从而激活嵌在类囊体膜上的光保护蛋白PsbS，并进而诱发一种非常有效的高光保护机制——能量依赖的淬灭（qE）。通过qE，植物可以把捕光复合物吸收的过量光能以热的形式安全地耗散掉，从而减少或避免光氧化性损伤。但是对于PsbS是否结合色素一直存有争议，其参与光保护作用的机制也并不清楚，解析其三维结构成为光合作用领域期待已久的研究课题。

而他们的研究价值正在于此。

科学家用纯化的蛋白生长了晶体，并将晶体带到上海以及日本的同步辐射光源进行X射线衍射实验，最终解析了PsbS活性状态的2.35埃分辨率的晶体结构。

“结构显示PsbS由四段跨膜螺旋组成，其结构紧密，单体内部没有色素结合位点，展现出与我们之前解析的同家族其他捕光复合物LHCII和CP29完全不同的结构特点。”范敏锐细致地观察着这个让他花了三年多才得到的宝贝。

而后一年的时间，他们结合晶体结构分析和一系列的生化实验，证明了PsbS在低pH值下是一个紧密的二体，从而纠正了之前该领域的主流观点，即PsbS在活性状态下为单体。

有趣的是，他们还发现低pH值下的PsbS二体界面处结合了一个叶绿素a，提示PsbS有可能在体内直接参与qE。这些研究结果为理解PsbS是如何被激活和抑制以及其参与qE的可能机制奠定了重要基础。

该项研究成果已被国际著名期刊Nature Structural & Molecular Biology接收并在线发表。范敏锐为第一作者，常文瑞院士和副研究员李梅为通讯作者，研究员柳振峰也对本项研究作出重要贡献。审稿专家称本工作“非常令人兴奋，并且带来很多惊喜，为研究PsbS的功能提供了新的视角”，“跨出了重要的一步”，“是优秀的、领域内长时间期待的并且迫切需要的一项研究工作”。

“粮食作物经过光合作用生长，提高光合效率，产量就能提高。根据以往的研究，提高农作物的光保护能力，有望帮助提高粮食产量前景。”范敏锐认为此时他所做的基础研究对以后应用有一定意义。