太陽能是生物圈最主要的能量來源，光合作用是將太陽能轉換為化學能的地球上最重要的生命活動過程。綠色植物通過光合作用，利用太陽光能，將水和二氧化碳合成為碳水化合物（如葡萄糖），在此過程中完成光能向化學能的轉換並同時釋放出氧氣。
忘記公式的讀者們，請看下圖複習一下。
光合作用的研究始於兩百多年以前，經過幾代科學家的不斷探索，現在人們對光合作用的研究已經深入到了分子和原子水平。
科學家告訴我們，光合作用是在植物細胞內的一個被稱為葉綠體的「光合工廠」中完成的。你看過電影《查理和他的巧克力工廠》麼？這個「光合工廠」就跟巧克力工廠一樣，有不同工種的工人在忙碌工作著。這些工人是非常多的蛋白質和色素分子的複合物。他們組成一條「流水線」，通過分工和合作共同完成複雜的光合作用反應過程。為了合成一分子的葡萄糖，植物需要數十種不同的蛋白質「工人」以及眾多的色素分子「工人」及其它輔助工人來協同工作。
《查理和他的巧克力工廠》劇照
《查理和他的巧克力工廠》劇照
位於這條「流水線」最上遊，也是最核心的部門是一個被稱為「光系統II-捕光複合物II」的超級分子機器。
這個機器可厲害了，它的裝配複雜而且巧妙。它是一個由約三十個蛋白質和數百個色素分子組成的超級複合物，主要由捕光元件和光電轉換元件這兩個部分組成。其中，捕光元件位於外周，主要負責吸收光能。光電轉換元件就在核心，負責裂解水分子釋放氧氣、電子和氫離子。這兩個「元件」精巧地組裝在一起，使得光能的吸收、傳遞和轉換過程緊密偶聯，從而高效完成光電轉換和裂解水產生氧氣的反應過程。
但是，這些元件是如何協同工作的？科學家一直在探索，並且在絞盡腦汁想辦法去了解那個超級分子機器的結構。
然而，要研究這個機器的結構可不是一件簡單的事。因為它是一個嵌在膜內的超大複合物，自身不穩定且提取純化非常困難。最近，中國科學院生物物理研究所常文瑞/李梅研究組、章新政研究組與柳振峰研究組通力合作，獲得了來源於豌豆的光系統II-捕光複合物II超級複合物樣品，研究表明這是一個完整的可以吸收和轉換光能，並有裂解水釋放氧氣功能的超分子機器。經過不懈努力，該研究團隊最終應用單顆粒冷凍電鏡方法解析了這個超級複合物的高解析度三維結構。
也就是說，我們的科學家終於得到了這個超級分子機器的樣品，還利用這個樣品解析了超級分子機器的三維結構！
植物光系統II-捕光複合物II超級複合物二體結構（螺旋表示蛋白骨架，棍狀表示色素分子；其中洋紅色和灰色顯示的是二體的核心複合物（「光電轉換元件」），外側的5個捕光複合物（「捕光元件」）則分別用橙色、紫色、黃色、綠色、青色顯示）。
現在，我們終於能清清楚楚地看到這臺超級機器的結構了。你看，這是一個分子量高達到1.4兆（140萬）道爾頓（註：每個碳原子的原子量約為12道爾頓）的二聚體複合物。其中每個單體包含有28個蛋白質亞基，並且有超過200個不同的色素分子和輔因子有序地鑲嵌在其中。也就是說，這個超級機器裡，包括有28個蛋白質「工人」和超過200個不同色素分子「工人」在共同工作，還包括好多的輔因子「工人」。
在這個機器的外圍，有多達五個不同的外部捕光「元件」（包括CP29、CP26、CP24和兩種LHCII）與核心「光電轉換元件」的不同部位巧妙地組裝在一起，確保不同「元件」中的色素分子相互靠近，從而建立起多條有效的能量傳輸途徑。
根據這個三維結構，科學家們闡明了「光合工廠」工作的過程中，捕光元件和光電轉換元件是怎麼對接和組裝的，還揭示了植物在弱光條件下高效捕獲光能和傳遞能量的結構基礎。
該項研究成果對於光合作用機理研究具有重要的科學意義及潛在的應用價值，有助於理解光合作用過程中太陽能是如何被吸收、傳遞和轉換的原理，並可為人工模擬光合作用的應用研究提供具有啟發性的自然界範本。
來源：中國科學院生物物理研究所