新研究揭示光合作用中氧氣形成微觀細節

　　眾所周知，光合作用是植物、藻類和一些細菌利用光產生生長所需能量的過程。

　　近日，兩個研究小組揭示了光合作用過程中氧氣形成的微觀細節。從該尺度了解光合作用有望促進清潔燃料開發。相關研究發表于《自然》。

　　此前的研究發現，4個連續的光粒子或光子撞擊植物分子結構即可啟動光合作用。這些光子被錳、鈣和氧原子團吸收，然后植物中的水分子被分解，束縛在水中的氧氣被釋放。

　　但是，幾十年來，研究人員一直不清楚第四個光子撞擊錳、鈣和氧原子團后到底發生了什么。

　　美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Jan Kern和同事利用高能X射線脈沖捕捉到了光合作用的微觀細節。他們將從藍藻中提取的分子簇排列在一條傳送帶上，它們首先被可見光脈沖照射，從而獲得分解水所需的光子。高能X射線脈沖捕捉到了這個過程中原子的排列。

　　在被第四個光子擊中后，被稱為光系統II（PSII）的蛋白質復合物在幾百萬分之一秒內分解水分子。高能X射線脈沖速度足夠快，因此捕捉到了水分解和最終釋放到大氣中的氧分子形成之間的時間延遲。但在這兩個步驟之間拍攝的圖像不夠清晰，因此無法顯示氧原子的確切構型。

　　然而，PSII分子圍繞這些氧原子排列的的其他部分表明，氧形成了一些新結構。在這個階段，氧原子不會像在水中那樣與氫結合，也不會聚集在一個更大的氧分子中，它會短暫地與PSII的一部分結合。Kern指出，光合過程的這一步驟以前只是理論。

　　德國柏林自由大學的Holger Dau和同事也專注于光合作用水分解過程的末端。但他們沒有像Kern團隊那樣拍攝原子的X射線圖像，而是使用紅外光來確定電子和質子如何在原子間移動。

　　研究人員從40公斤新鮮菠菜中提取了PSII，用可見光照射后，用紅外光照射。當PSII吸收紅外輻射時，每個波長都與特定鍵的振動相關。研究人員將這些測量結果與意大利拉奎拉大學Leonardo Guidoni團隊進行的光合作用過程中電子和質子運動的計算機模擬結合，揭示了這一過程中的一個關鍵新步驟，即3個質子在氧原子和PSII的其余部分間交換一個電子的過程。

　　勞倫斯伯克利國家實驗室的Philipp Simon說，一些X射線快照甚至暗示，這種質子運動可能在水分解過程的末端發生了兩次。

　　上述兩個研究團隊希望通過使用更快的X射線、更清潔的PSII樣本和更多的紅外光來揭示更多的細節。

　　德國馬克斯·普朗克煤炭研究所的Dimitrios Pantazis說，了解光合作用中的水分解過程對于開發將水轉化為氫燃料的設備很重要。

　　“雖然我們無法直接復制生物系統，但這是已知的唯一一個如此有效分解水的系統。因此，我們需要揭示數十億年來進化的所有分解水的方式。”Pantazis說。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06038-z

　　https://doi.org/10.1038/s41586-023-06008-5