PsbS整體結(jié)構(gòu)。a. PsbS單體結(jié)構(gòu)飄帶示意圖；b. PsbS二體結(jié)構(gòu)示意圖；c. PsbS二體界面處結(jié)合的葉綠素a；d. PsbS二體結(jié)合的qE抑制劑DCCD。生物物理所供圖

　　■本報(bào)記者 王晨緋

　　植物的光合作用，是地球上最為有效的固定太陽(yáng)光能的過(guò)程，人類所大量消耗的石油、天然氣等，其實(shí)都是遠(yuǎn)古時(shí)期植物光合作用的直接和間接產(chǎn)物。

　　地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)有1730億~2200億噸，其中蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10倍~20倍，但目前的利用率不到3%。光合作用是高效利用太陽(yáng)能的最好榜樣，破解光合作用神秘機(jī)制，將為建立“人工光合作用系統(tǒng)”，繼而開(kāi)發(fā)清潔、高效的新能源提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

　　由中科院生物物理所研究員、中科院院士常文瑞帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)幾年時(shí)間，完成了菠菜主要捕光復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定，在光合膜蛋白研究領(lǐng)域取得系列重大成果。

　　2004年3月18日，《自然》雜志發(fā)表這一成果，封面上的“POWER PLANT”大字赫然，在國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)界引起強(qiáng)烈反響。

　　近日，常文瑞院士課題組又取得了一項(xiàng)新突破——解析了菠菜光保護(hù)蛋白PsbS活性狀態(tài)的2.35埃分辨率的晶體結(jié)構(gòu)，博士生范敏銳是這項(xiàng)重要研究工作的具體承擔(dān)者。

　　兩年時(shí)間純化出蛋白

　　常文瑞院士課題組于四年前開(kāi)展了PsbS的晶體結(jié)構(gòu)研究。

　　“我就是那時(shí)進(jìn)入課題組的，首先要摸索純化方案。”范敏銳在常文瑞院士和副研究員李梅的指導(dǎo)下，花了兩年時(shí)間將蛋白從菠菜葉中純化出來(lái)。

　　要獲得某種蛋白，常規(guī)的方法一般都是用外源表達(dá)體系來(lái)獲得，相對(duì)來(lái)講要容易一些，而常文瑞課題組則另辟蹊徑，選擇從菠菜葉中直接提取天然蛋白。

　　“每純化一次需要15斤菠菜，才能得到10毫克蛋白。”范敏銳笑言自己會(huì)像洗菜工一樣，每次都要買來(lái)15斤菠菜，先去掉壞葉子，用自來(lái)水洗三遍，再用單蒸水洗兩遍，在濾紙上吸走水分，才能榨汁離心提取到粗的樣品。

　　經(jīng)過(guò)大量的摸索，他們建立了一個(gè)從菠菜葉片中大量純化PsbS的方案，并在純化和結(jié)晶的過(guò)程中一直維持酸性pH 值條件。

　　蛋白純化出來(lái)后，范敏銳發(fā)現(xiàn)蛋白是綠色的。據(jù)此他們推斷它應(yīng)該結(jié)合了葉綠素，“這意味著它可能吸收光能并將其轉(zhuǎn)化成熱能，釋放出去。”當(dāng)然，這僅僅是范敏銳的初步推斷。從純化出蛋白到最后解析了該蛋白的結(jié)構(gòu)，又花了他們一年半時(shí)間。

　　揭示光保護(hù)機(jī)制奧秘

　　“植物與太陽(yáng)光的關(guān)系可謂‘愛(ài)恨交加’，一方面光能對(duì)于植物進(jìn)行光合作用是必需的，但另一方面過(guò)量的光能又會(huì)導(dǎo)致植物光合作用裝置的氧化性損傷，于是植物逐漸進(jìn)化出了一種保護(hù)機(jī)制。”范敏銳向記者解釋說(shuō)。

　　參與這種保護(hù)機(jī)制的就是光保護(hù)蛋白PsbS，早在2000年，美國(guó)一個(gè)研究小組就證明了光保護(hù)蛋白PsbS的關(guān)鍵作用——在高光照條件下，植物類囊體腔側(cè)的pH值會(huì)由正常條件下的6.5降低至5.5~5.8，從而激活嵌在類囊體膜上的光保護(hù)蛋白PsbS，并進(jìn)而誘發(fā)一種非常有效的高光保護(hù)機(jī)制——能量依賴的淬滅（qE）。通過(guò)qE，植物可以把捕光復(fù)合物吸收的過(guò)量光能以熱的形式安全地耗散掉，從而減少或避免光氧化性損傷。但是對(duì)于PsbS是否結(jié)合色素一直存有爭(zhēng)議，其參與光保護(hù)作用的機(jī)制也并不清楚，解析其三維結(jié)構(gòu)成為光合作用領(lǐng)域期待已久的研究課題。

　　而他們的研究?jī)r(jià)值正在于此。

　　科學(xué)家用純化的蛋白生長(zhǎng)了晶體，并將晶體帶到上海以及日本的同步輻射光源進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)，最終解析了PsbS活性狀態(tài)的2.35埃分辨率的晶體結(jié)構(gòu)。

　　“結(jié)構(gòu)顯示PsbS由四段跨膜螺旋組成，其結(jié)構(gòu)緊密，單體內(nèi)部沒(méi)有色素結(jié)合位點(diǎn)，展現(xiàn)出與我們之前解析的同家族其他捕光復(fù)合物L(fēng)HCII和CP29完全不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。”范敏銳細(xì)致地觀察著這個(gè)讓他花了三年多才得到的寶貝。

　　而后一年的時(shí)間，他們結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)分析和一系列的生化實(shí)驗(yàn)，證明了PsbS在低pH值下是一個(gè)緊密的二體，從而糾正了之前該領(lǐng)域的主流觀點(diǎn)，即PsbS在活性狀態(tài)下為單體。

    有趣的是，他們還發(fā)現(xiàn)低pH值下的PsbS二體界面處結(jié)合了一個(gè)葉綠素a，提示PsbS有可能在體內(nèi)直接參與qE。這些研究結(jié)果為理解PsbS是如何被激活和抑制以及其參與qE的可能機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。

　　該項(xiàng)研究成果已被國(guó)際著名期刊Nature Structural &Molecular Biology接收并在線發(fā)表。范敏銳為第一作者，常文瑞院士和副研究員李梅為通訊作者，研究員柳振峰也對(duì)本項(xiàng)研究作出重要貢獻(xiàn)。審稿專家稱本工作“非常令人興奮，并且?guī)?lái)很多驚喜，為研究PsbS的功能提供了新的視角”，“跨出了重要的一步”，“是優(yōu)秀的、領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間期待的并且迫切需要的一項(xiàng)研究工作”。

　　“糧食作物經(jīng)過(guò)光合作用生長(zhǎng)，提高光合效率，產(chǎn)量就能提高。根據(jù)以往的研究，提高農(nóng)作物的光保護(hù)能力，有望幫助提高糧食產(chǎn)量前景。”范敏銳認(rèn)為此時(shí)他所做的基礎(chǔ)研究對(duì)以后應(yīng)用有一定意義。