光合作用反应中心如何工作？如何起源进化？我们人类能否利用自然界的光合作用机制来提高太阳能利用效率？科学家们一直在积极对光合作用机理开展广泛的研究，寻找这些问题的答案可以帮助我们缓解粮食、能源和环境问题。

　　近日，浙江大学医学院、良渚实验室与中国科学院植物研究所合作，在全球率先解析了一种古老的光合细菌——绿硫细菌的光合反应中心空间结构。该研究刷新了人类对古老光合生物的光合作用机理的认知，对于理解光合作用反应中心的“认祖归宗”（即进化生物学研究）具有重要的启示意义。这一研究于11月20日，刊登在国际顶级杂志《科学》。

　　尽管绿硫细菌已被发现数十年了，科学家们对它内部的光合作用系统的详细构造仍然了解甚少。科研团队通过冷冻电镜技术，很好地解决了这一难题。他们优化了样品制备的各环节，获得了足够的蛋白样品，收集了近万张样品颗粒的电子显微镜成像图片，最终在世界上首次解析了绿硫细菌反应中心的结构，分辨率高达2.7埃，在该分辨率下，绿硫细菌反应中心的庐山真面目被首次揭开。

　　绿硫细菌的光合作用系统十分独特，能量首先是通过一个巨大的外周捕光天线捕获光能，再通过一些被称为FMO的内周捕光天线向镶嵌于细胞膜的反应中心传递，这些收集和不断向内传递的能量能够激发反应中心内部的一对特殊的叶绿素分子，导致其产生电荷的分离。在这个过程中，光能就会转变成了电能（电子），之后，这些电子会通过下游的一系列载体继续传递并最终传递给一个末端的电子受体，形成还原力，将二氧化碳等无机物转变成有机物。

　　“绿硫细菌的反应中心与绿色植物中的光系统I都属于I型光合反应中心（以铁硫簇为末端电子受体）。但我们从结构上‘看到’虽然它与光系统I有相似的地方，比如它们的蛋白结构比较像，但绿硫细菌反应中心的色素数量比光系统I要明显减少，而且色素的空间排布也不一样。”浙江大学冷冻电镜中心、良渚实验室张兴介绍说，有意思的是，他们发现绿硫细菌的反应中心色素排列跟光系统II（II型光合反应中心，以醌为末端电子受体）非常相似。“这兼具两种光系统结构特点的‘混沌状态’暗示绿硫细菌的反应中心，可能代表了进化早期的光合生物反应中心的古老特征。”

　　从细胞膜平面的角度看，绿硫细菌反应中心的色素分子分为上下两层，两层叶绿素之间有一条“过道”。张兴说，在目前已经解析的反应中心结构中，“过道”里有一种作为桥梁的分子，可以把上层的能量传到下层，但是绿硫细菌反应中心没有这个桥梁分子，上层与下层叶绿素之间的能量就像“隔空抛物”一样传递。

　　绿硫细菌内周捕光天线与反应中心的色素分子之间的距离超过2.1 纳米。“这个距离比植物捕光天线与反应中心之间的距离要明显远很多，这在一定程度上很好地解释了为什么绿硫细菌内周捕光天线FMO与反应中心之间的能量传递效率比较低。”浙江大学冷冻电镜中心博士后陈景华介绍。

　　根据生物进化优胜劣汰的原理反推，越是进化完善的，越是“后生”的，越是不完善的，越是古老的。“地球上所有现存的光合作用反应中心都起源于相同的‘祖先’（一类原始的反应中心蛋白），并由该蛋白不断进化而形成现有的各种各样的反应中心。”张兴说，在高等植物中存在两种不同的光反应系统，且各自是由不一样的中心蛋白构成，科学界的普遍共识是，地球上最早的反应中心是由两个相同的蛋白构成的同源二聚体，在进化的过程中两个中心蛋白慢慢发生变化，从两个一样的蛋白变成了两个不一样的异源二聚体蛋白。“而此次解析到的绿硫细菌反应中心正是这样由两个相同的蛋白构成的同源二聚体。”

　　张兴课题组的研究证明，绿硫细菌反应中心是目前唯一发现具有两类反应中心结构特征的分子，填补了人类对绿硫细菌光合反应中心结构认知的空白。论文评审专家表示：“这项研究对于揭示30亿年前地球原始光合生物如何进行光合作用具有重要的启示，对于理解光合作用反应中心的进化极其重要。”

　　了解了绿硫细菌反应中心的结构特征之后，课题组下一步研究将努力获取更多的支撑数据。未来有望对人工模拟光合作用机制、仿生设计光敏器件提供有用的理论基础；对改造植物光反应系统、提高太阳能利用率，从而提高农作物产量，缓解日益突出的粮食和能源问题提供更多参考。

　　本报记者　蒋闻　通讯员　柯溢能　吴雅兰