作者：李晨陽
近日，中科院凝練總結出59項「率先行動」計劃第一階段重大科技成果及標誌性進展。「光合作用光系統等超大分子複合體的結構、功能與調控」名列其中。
光合作用為地球上幾乎所有生命提供了賴以生存的物質和能量。「生物體內的光合作用複合體就像一個個小工廠的不同功能單元，既有向外捕獲光能的『天線系統』單元，也有進行能量轉化反應的『反應中心』單元。」中科院生物物理研究所（以下簡稱生物物理所）研究員柳振峰對《中國科學報》說，「解析它們的結構，就像搞清楚一個生產車間裝配線上的設備和物料是怎麼排列的。這對理解地球生命能量工廠的運作原理至關重要。」
中科院在光合作用研究領域有數十年的積澱，近年來更是在揭示相關複雜超分子體系的精密裝配、工作原理以及調控機制方面，取得了一系列重大成果。
向更高的解析度進軍
「生命科學領域裡，光合作用是一個長盛不衰的課題。」生物物理所研究員李梅說。200餘年間，國際上與光合作用相關的研究成果已經十餘次問鼎諾貝爾獎。
然而，關於植物光系統Ⅱ的結構生物學研究卻一直相對滯後。多年來，國內外許多科研團隊都在為解析其高解析度三維結構而競跑，但要麼鎩羽而歸，要麼遲遲難以突破。
直到2016年，生物物理所生物大分子國家重點實驗室柳振峰課題組、章新政課題組和常文瑞—李梅課題組組成的聯合研究團隊，在國際上首次解析了菠菜光系統Ⅱ—捕光天線超級複合物的高解析度冷凍電鏡結構，揭示了捕光天線與光系統Ⅱ核心複合物之間的相互裝配機制和能量傳遞途徑。
這是一個重大突破。
玉米葉片、小白菜、菠菜……在常見的高等植物中，研究人員發現用菠菜葉片製備出的樣品具有最好的均一性。然而他們也知道，早些年國際上一個非常著名的科研團隊也在用菠菜材料做類似的工作，但是效果一直不夠理想。
研究團隊仔細分析了其中的原因，發現問題出在樣品製備和保存的流程及條件不夠完善，冷凍電鏡設備、技術和方法都沒有達到最佳狀態上。他們意識到，這其中還有很大的提升空間。
「我們的目標是什麼？要做多高的解析度？」擅長冷凍電鏡技術的章新政問。
「為了區分複合體中不同類型的色素分子，我們需要朝著2.7埃或更高的目標去做。」柳振峰迴答。
為了實現這個目標，章新政課題組研發出了新的三維重構算法。三個課題組通力合作，在前期3.2埃的解析度基礎上，進一步將超級複合物的解析度提高到了2.7埃。
「雖然總體解析度在數值上只提高了0.5埃，看似很小，但是最終三維重構結果的圖中能更清楚地分辨不同胺基酸的側鏈，觀察到氧原子的突起，並可以區分不同的色素分子。後續工作中，我們團隊又合作解析了更複雜的植物光系統Ⅱ—捕光天線超級複合物以及多個光合作用捕光和電子傳遞調控相關超級複合物的冷凍電鏡結構。」章新政說。
老牌團隊的新突破
除了我們最為熟悉的各種綠色植物外，地球上的光合生物還包括光合細菌、原核藍細菌、真核藻類等。不同光合生物的光系統有著不同的結構和組分。
在生物物理所對菠菜等高等植物潛心鑽研時，中科院植物研究所（以下簡稱植物所）把目光投向了藻類。
植物所研究員沈建仁和中科院院士匡廷雲團隊，已經在光合作用研究領域耕耘了30餘年，是一支「老」牌的「先」鋒隊。
「硅藻具有特殊的捕光天線蛋白，被稱為巖藻黃素葉綠素a/c結合蛋白（FCP）。但是FCP複合體的結構長期無法被解析，很大程度上限制了在分子水平上對硅藻光合作用機理的研究。」沈建仁告訴《中國科學報》，「我們的工作第一次報導了硅藻FCP的結構。」
硅藻光系統Ⅱ-FCPⅡ複合體很適合用冷凍電鏡技術來解析。但是冷凍電鏡對樣品的要求很高。他們通過優化和提高蛋白分離提純方法，獲得了高純度、高活性、高均一性的膜蛋白樣品。憑藉樣品純化優勢和製備高解析度晶體的經驗，他們很快獲得了規則的硅藻FCP晶體。研究人員還巧妙地解決了FCP蛋白的相位問題，解析出了三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃解析度的晶體結構。
之後，他們還和清華大學隋森芳研究組合作，兩個團隊分別發揮在樣品提純和電鏡解析方面的優勢，解析了中心綱硅藻光系統Ⅱ-FCPⅡ超級複合體3.0埃解析度的結構。
經過近6年的刻苦攻關，科研人員取得了硅藻光合膜蛋白的第一個晶體結構和光系統Ⅱ-FCPⅡ超大複合體的冷凍電鏡結構，兩項研究結果都發表於《科學》雜誌。
從「率先行動」走向率先成功
這些成果不僅分別入選2016和2019年度的中國科學十大進展，也彰顯了中國在光合作用研究領域的世界領先地位。
幾位研究者表示，中科院「率先行動」計劃給予的穩定支持，起到了非常重要的作用。
「四類機構改革以來，依託生物物理所新成立的中科院生物大分子科教融合卓越創新中心，給我們的工作帶來了很大助力。這種支持絕不僅僅體現在經費上。」李梅說，「光合作用領域是一個熱鬧的競技場，國際上許多團隊都在爭先恐後。進入卓越創新中心後，研究所在冷凍電鏡機時和設備條件保障等方面為光合作用研究的順利開展給予傾斜支持，這對我們團隊率先取得成果助益頗大。」
此外，生物物理所和植物所的兩項工作還得到了中科院戰略性先導科技專項的大力支持。在「生物大分子複合體結構與功能的跨尺度研究」和「能源化學轉化的本質與調控」等先導專項的支持下，他們有關光合作用的研究有望做出新的基礎研究成果，發揮更大的應用價值。
「光合作用不僅僅是一種自然現象，它對能源、糧食、環境等人類社會問題也具有啟示意義。」沈建仁說，「我們的工作有助於科學家通過人工模擬光合作用的機理，從太陽能取得清潔可再生能源；並有助於指導設計高光效的新型作物。」
在「率先行動」計劃的大力支持下，中科院超大分子複合體結構與功能的研究隊伍，不僅在光合作用複合體中取得重大突破，還取得了包括TRIC-B通道門控機制、脂多糖跨細菌膜轉運機制、卵子獨特表觀遺傳狀態建立機制、組蛋白乙醯轉移酶活性的調控機制，醯基轉移酶蛋白DLtB結構、分枝桿菌能量代謝系統結構等諸多重要成就。