2 月 12 日消息,据日本冈山大学官网消息,该校沈建仁教授等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。

植物光合作用“从水到氧”过程被成功拍到,采用飞秒级 X 射线-编程部落

▲ 图源日本冈山大学官网,下同

在光合作用中,称为光系统 II 的膜蛋白复合物利用光能从水分子产生氧分子。研究团队使用飞秒 X 射线自由电子激光器,进行持续数十飞秒(femto second,1 秒的 1000 万亿分之一)的 X 射线闪光拍摄,成功地捕获了光系统 II 的“翘椅”形催化剂吸收水分子并准备生成氧分子的事件序列。

结果发现,在光系统 II 内部,蛋白质、水分子、捕光色素等像管弦乐队一样协同工作,促进水的运动和氢离子的排出。团队首次观察到由于该作用而增加了流动性的水分子短暂地与催化剂结合,然后被吸收到催化剂中。这些结果阐明了光合作用过程中形成氧分子的反应机制

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▲ 光系统 II 总体结构,红色圈出的部分是促使反应进行的催化剂

这项研究结果不仅阐明了光合作用过程中从水分子中提取氢离子和电子的机制,还回答了水分子何时何地到达催化剂的问题,为设计利用光分解水的人工光合催化剂提供了重要指导

这一成果已发表于《Nature》杂志,沈建仁教授课题组博士后李洪杰和助理教授中島芳樹为该论文的第一作者。沈健仁教授与菅倫寛教授为该论文的共同通讯作者。

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▲ 光系统 II 从吸收光到准备好形成氧气的动态结构

菅倫寛教授表示:“这一结果具有开创性,因为它以极快的频闪摄影捕捉到了光合作用反应,捕捉到了以前无法看到的蛋白质高速运动。从研究开始到取得成果共历时五年,高质量的光系统 II 样品、先进的 X 射线自由电子激光技术以及研究团队之间的密切合作对于这项研究至关重要。我感谢我的同事和实验室成员。”

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查询获悉,沈建仁教授在 2011 年发现了负责光合作用的蛋白质的晶体结构,被提名为诺贝尔奖候选人。他大学毕业于浙江农业大学(现浙江大学)环境保护系,后前往日本深造,现任日本冈山大学异分野基础科学研究所所长,他还担任中国科学院植物研究所研究员。