NTU科研團隊發表《Science Advances》揭秘光合作用

2024年04月02日 • 1539次閱讀

在 Science Advances 雜誌最近發表的一篇文章中，由Tan Howe-Siang副教授領導的NTU化學、化學工程與生物技術學院（Chemical Engineering and Biotechnology，簡稱CCEB）科學家組成的團隊與其他國際機構的研究人員合作，報告了他們的成功繪製植物光合作用初始步驟中複雜的超快能量轉移網絡的圖譜。

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

來源：ntu

光合作用

植物依靠光合作用將來自太陽的光能轉化為可儲存的化學能，並產生副產品氧氣。儘管光合作用很重要並且受到了科學界的強烈關注，但這種複雜的生化過程仍有很多東西有待揭示，例如，如何收集陽光並引導陽光來為相關化學反應提供動力。

什麼是光系統 II (PSII)？

光系統 II (PSII) 是一種蛋白質「超級復合物」，在光合作用的光依賴性反應中發揮重要作用。這種複雜的光化學機器的大小相當於一粒米的萬億分之一，並且充滿了數百個葉綠素分子。這些分子包含在 PSII「超級復合體」中，該復合體由各種色素-蛋白質復合體組成，通常可分為兩組：外圍光捕獲天線復合體和核心復合體。

來自太陽的光能大部分被葉綠素分子吸收，葉綠素分子賦予植物綠色。大多數這些分子通常位於外圍的光捕獲天線復合體中，顧名思義，「捕獲」陽光。這些分子被「激發」並將這種能量傳遞給鄰近的色素分子。能量從觸角復合體傳遞到復合體，最終到達 PSII 核心復合體的反應中心，在那裡光化學反應引發一系列反應，從而產生能量分子，並產生副產物氧氣。

Nguyen Hoang Long 調整超快二維電子光譜儀的光學器件

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PSII 外圍光捕獲天線的基本分解

每個 PSII 超級復合體都有大約 20 個這些外圍光捕獲天線的亞基，每個亞基各自包含大約 12 至 15 個葉綠素分子。PSII 內有兩層能量傳遞網絡：子單元內網絡和子單元間網絡。子單元內網絡描述每個光捕獲天線內的能量轉移，子單元間網絡描述每個光捕獲天線之間以及光捕獲天線與核心復合體之間的能量轉移。

雖然亞基內網絡已得到充分研究，但亞基間網絡涉及的葉綠素分子的絕對數量以及製備樣品的難度意味著亞基間網絡仍然相對未經探索。

了解 PSII 的亞基間能量轉移網絡

為了測量 PSII 中涉及的能量轉移過程（從數十皮秒（萬億分之一秒）到數十飛秒（萬億分之一秒）），NTU團隊使用了先進的超快光譜工具，稱為超快二維電子光譜技術，或 2DES。

超快雷射束照射到含有從植物中提取的 PSII 蛋白超復合物溶液的樣品池上

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PSII 的典型二維電子能譜

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將 2DES 技術視為具有超快快門速度的相機，可以捕獲 PSII 中能量傳輸的「圖片」。這些「圖片」是分布在兩個頻率維度上的光譜，使科學家能夠辨別哪些葉綠素分子通過能量轉移相互「連接」。2011 年，NTU團隊構建了亞洲第一個 2DES，現在位於 CCEB。

光系統 II (PSII) 蛋白質超級復合體包含數百個葉綠素分子，這些分子捆綁在較小蛋白質單元的單獨單元中

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結合各個 PSII 亞基的 2DES 測量數據，通過深入分析和理論建模，該團隊能夠提取有關亞基間能量轉移過程的信息。團隊將 PSII 中測量能量傳輸網絡的整個過程描述為類似於使用天空中的特殊相機繪製城市的鐵路網絡。在這個類比中，跟蹤的火車代表從葉綠素分子轉移到葉綠素分子的能量，而從地圖中發現的火車站是葉綠素分子。

來自不同科學學科的研究人員與 NTU 2DES 團隊合作，開展國際合作。來自塞格德生物研究中心和艾克斯馬賽大學的植物生物學家和生物物理學家幫助種植、提取和製備植物光系統超級復合物，並創建了可行的模型來理解實驗數據。格羅寧根大學的理論和計算化學物理學家協助執行基於計算機的高級模擬，將假設與實驗數據聯繫起來。

這對未來意味著什麼？

除了理解這一最重要的生物過程的純粹科學原因外，還有潛在的實際好處。植物自然地進化出調節機制，依賴於一天正常過程中波動的光照條件下能量傳輸網絡的調整。了解這些網絡可能有助於我們設計具有特定功能的新一代作物，以在人為控制的條件下更有效地收集光，從而提高作物生產力。此外，從自然光合作用中汲取的經驗可用於開發光電化學系統和其他人工先進的太陽能利用技術，這對推動可再生能源經濟以實現未來全球增長和可持續發展非常重要。

以下是這項研究的詳細數據，一起來學習吧！