植物光合作用“從水到氧”過程被成功拍到，採用飛秒級 X 射線

IT之家 2 月 12 日訊息，據日本岡山大學官網訊息，該校沈建仁教授等人成功捕捉到了負責植物光合作用的蛋白質中存在的催化劑吸收水分子的瞬間。

▲ 圖源日本岡山大學官網，下同

在光合作用中，稱為光系統 II 的膜蛋白複合物利用光能從水分子產生氧分子。研究團隊使用飛秒 X 射線自由電子鐳射器，進行持續數十飛秒（femto second，1 秒的 1000 萬億分之一）的 X 射線閃光拍攝，成功地捕獲了光系統 II 的“翹椅”形催化劑吸收水分子並準備生成氧分子的事件序列。

結果發現，在光系統 II 內部，蛋白質、水分子、捕光色素等像管絃樂隊一樣協同工作，促進水的運動和氫離子的排出。團隊首次觀察到由於該作用而增加了流動性的水分子短暫地與催化劑結合，然後被吸收到催化劑中。這些結果闡明瞭光合作用過程中形成氧分子的反應機制。

▲光系統 II 總體結構，紅色圈出的部分是促使反應進行的催化劑

這項研究結果不僅闡明瞭光合作用過程中從水分子中提取氫離子和電子的機制，還回答了水分子何時何地到達催化劑的問題，為設計利用光分解水的人工光合催化劑提供了重要指導。

這一成果已發表於《Nature》雜誌，沈建仁教授課題組博士後李洪傑和助理教授中島芳樹為該論文的第一作者。沈健仁教授與菅倫寛教授為該論文的共同通訊作者。

▲光系統 II 從吸收光到準備好形成氧氣的動態結構

菅倫寛教授表示：“這一結果具有開創性，因為它以極快的頻閃攝影捕捉到了光合作用反應，捕捉到了以前無法看到的蛋白質高速運動。從研究開始到取得成果共歷時五年，高質量的光系統 II 樣品、先進的 X 射線自由電子鐳射技術以及研究團隊之間的密切合作對於這項研究至關重要。我感謝我的同事和實驗室成員。”

IT之家查詢獲悉，沈建仁教授在 2011 年發現了負責光合作用的蛋白質的晶體結構，被提名為諾貝爾獎候選人。他大學畢業於浙江農業大學（現浙江大學）環境保護系，後前往日本深造，現任日本岡山大學異分野基礎科學研究所所長，他還擔任中國科學院植物研究所研究員。