NTU科研团队发表《Science Advances》揭秘光合作用

2024年04月02日 • 1539次阅读

在 Science Advances 杂志最近发表的一篇文章中，由Tan Howe-Siang副教授领导的NTU化学、化学工程与生物技术学院（Chemical Engineering and Biotechnology，简称CCEB）科学家组成的团队与其他国际机构的研究人员合作，报告了他们的成功绘制植物光合作用初始步骤中复杂的超快能量转移网络的图谱。

（左起）Tan Howe Siang 副教授，研究员 Nguyen Hoang Long和博士生Zhong Kai

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光合作用

植物依靠光合作用将来自太阳的光能转化为可储存的化学能，并产生副产品氧气。尽管光合作用很重要并且受到了科学界的强烈关注，但这种复杂的生化过程仍有很多东西有待揭示，例如，如何收集阳光并引导阳光来为相关化学反应提供动力。

什么是光系统 II (PSII)？

光系统 II (PSII) 是一种蛋白质“超级复合物”，在光合作用的光依赖性反应中发挥重要作用。这种复杂的光化学机器的大小相当于一粒米的万亿分之一，并且充满了数百个叶绿素分子。这些分子包含在 PSII“超级复合体”中，该复合体由各种色素-蛋白质复合体组成，通常可分为两组：外围光捕获天线复合体和核心复合体。

来自太阳的光能大部分被叶绿素分子吸收，叶绿素分子赋予植物绿色。大多数这些分子通常位于外围的光捕获天线复合体中，顾名思义，“捕获”阳光。这些分子被“激发”并将这种能量传递给邻近的色素分子。能量从触角复合体传递到复合体，最终到达 PSII 核心复合体的反应中心，在那里光化学反应引发一系列反应，从而产生能量分子，并产生副产物氧气。

Nguyen Hoang Long 调整超快二维电子光谱仪的光学器件

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PSII 外围光捕获天线的基本分解

每个 PSII 超级复合体都有大约 20 个这些外围光捕获天线的亚基，每个亚基各自包含大约 12 至 15 个叶绿素分子。PSII 内有两层能量传递网络：子单元内网络和子单元间网络。子单元内网络描述每个光捕获天线内的能量转移，子单元间网络描述每个光捕获天线之间以及光捕获天线与核心复合体之间的能量转移。

虽然亚基内网络已得到充分研究，但亚基间网络涉及的叶绿素分子的绝对数量以及制备样品的难度意味着亚基间网络仍然相对未经探索。

了解 PSII 的亚基间能量转移网络

为了测量 PSII 中涉及的能量转移过程（从数十皮秒（万亿分之一秒）到数十飞秒（万亿分之一秒）），NTU团队使用了先进的超快光谱工具，称为超快二维电子光谱技术，或 2DES。

超快激光束照射到含有从植物中提取的 PSII 蛋白超复合物溶液的样品池上

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PSII 的典型二维电子能谱

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将 2DES 技术视为具有超快快门速度的相机，可以捕获 PSII 中能量传输的“图片”。这些“图片”是分布在两个频率维度上的光谱，使科学家能够辨别哪些叶绿素分子通过能量转移相互“连接”。2011 年，NTU团队构建了亚洲第一个 2DES，现在位于 CCEB。

光系统 II (PSII) 蛋白质超级复合体包含数百个叶绿素分子，这些分子捆绑在较小蛋白质单元的单独单元中

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结合各个 PSII 亚基的 2DES 测量数据，通过深入分析和理论建模，该团队能够提取有关亚基间能量转移过程的信息。团队将 PSII 中测量能量传输网络的整个过程描述为类似于使用天空中的特殊相机绘制城市的铁路网络。在这个类比中，跟踪的火车代表从叶绿素分子转移到叶绿素分子的能量，而从地图中发现的火车站是叶绿素分子。

来自不同科学学科的研究人员与 NTU 2DES 团队合作，开展国际合作。来自塞格德生物研究中心和艾克斯马赛大学的植物生物学家和生物物理学家帮助种植、提取和制备植物光系统超级复合物，并创建了可行的模型来理解实验数据。格罗宁根大学的理论和计算化学物理学家协助执行基于计算机的高级模拟，将假设与实验数据联系起来。

这对未来意味着什么？

除了理解这一最重要的生物过程的纯粹科学原因外，还有潜在的实际好处。植物自然地进化出调节机制，依赖于一天正常过程中波动的光照条件下能量传输网络的调整。了解这些网络可能有助于我们设计具有特定功能的新一代作物，以在人为控制的条件下更有效地收集光，从而提高作物生产力。此外，从自然光合作用中汲取的经验可用于开发光电化学系统和其他人工先进的太阳能利用技术，这对推动可再生能源经济以实现未来全球增长和可持续发展非常重要。

以下是这项研究的详细数据，一起来学习吧！