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王文达:揭开硅藻光能利用的秘密

2022-07-27 科技日报 都芃
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语音播报

  那段时间,王文达把自己彻底“埋”在了数据里,白天在实验室分析,晚上回到住处继续做。“我的那台笔记本电脑烧坏好几个主板了,但我到现在也没舍得扔。”他回忆道。王文达 受访者供图

  光合作用,是地球上最重要的化学反应之一。有赖于光合生物源源不断地将太阳能转化为化学能,今天人类以及地球上绝大多数的生物才有了存在的基础。中国科学院植物研究所研究员王文达的研究正与此有关。

  2019年,王文达所在团队进行的关于海洋硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能的研究相继入选“2019年度中国科学十大进展”“2019年中国十大科技进展新闻”等多项榜单。

  凭借在该领域取得的突破,不久前,王文达荣获第一届中国科学院青年五四奖章。

  从零开始解析硅藻光合膜蛋白

  如果你问起王文达的研究方向,他会打开一份演示文档,在一张张花花绿绿的图片之间不停切换、放大,然后绞尽脑汁地使用各种比喻,力图给你讲清楚其中的每个细节。

  其实,王文达的研究方向大家都耳熟能详——光合作用,初中生物课的重点知识,但要完全理解其中的细节并不容易。光合作用研究的核心问题之一是太阳光能的高效捕获、传递和利用,这一过程发生在叶绿体中的一系列光合膜蛋白复合体中,只有对其进行深入、透彻地解析,才能够真正理解光合作用,王文达的研究焦点就在于此。

  光合生物在早期进化时形成了两个主要分支,一支被称为“绿系”,包括水中的绿藻、苔藓和陆地上的高等植物等。另一支则被称为“红系”,包括红藻、褐藻等,我们常吃的海带和紫菜便属于该类别。其中最具代表性的,是一种分布广泛却不起眼的单细胞浮游藻类——硅藻。

  硅藻拥有出色的蓝绿光捕获能力和极强的光适应能力。作为海洋赤潮的主要“肇事者”,硅藻的生命力顽强。从赤道到两极、从表层海水到百米深海,都能找到它的身影。“硅藻能够迅速适应浅海和深海之间的光线变化,所以即使在上下起伏、剧烈翻滚的海浪中,它也可以顽强地活下去。”王文达说。

  硅藻每年吸收的二氧化碳占地球全部生态系统吸收二氧化碳总量的20%,与陆地上的热带雨林相当。正是由于其出众的表现,王文达与合作者早早就将研究目光锁定在了硅藻身上。但要想揭开硅藻光能利用的秘密,就必须要对它的光合膜蛋白结构进行解析,但这项工作此前没有人完成过。

  最初,王文达打算按照国外学者提出的假设进行研究,即硅藻的捕光蛋白结构应与绿色高等植物的基本一致。但当王文达将绿色高等植物的光合膜蛋白结构“套”到硅藻身上时,他发现事实并非如此——“很多地方都不一致,解释不通”。

  于是,王文达只能从零开始解析硅藻光合膜蛋白结构,只是他也没想到,等待他的将是一段艰苦的旅程。

  在绝望中寻找希望

  解析硅藻捕光蛋白结构,大致有以下几个步骤:首先将蛋白溶液小心翼翼地培养成高质量晶体,随后利用同步辐射光源对晶体进行X射线衍射,再根据得到的衍射图像数据,逐步解析出光合膜蛋白的内部结构。

  至关重要也最为困难的,是这最后一步。由于该晶体的一大半是水,经过衍射,蛋白自身的部分原子信号会与水中的氧原子信号产生混淆,使得研究人员无法进行区分,从而极难对其内部结构进行精确解析。

  要想准确无误地解析出光合膜蛋白的内部结构,就需要在其内部标注一个参照物,使其在X射线衍射下呈现出明显特征,便于区分定位。王文达采用的第一个办法是加入重金属,使其与蛋白的特定位置结合,起到在衍射后标识位置的作用,这是该领域最常采用的一种方法。但这种方法在硅藻光合膜蛋白这里却失灵了:被加入的重金属要么难以与光合膜蛋白的特定位置结合,要么就是结合后的衍射信号十分微弱。

  最常用的办法行不通,王文达只好尝试另一种分子生物学方法。他打算将硅藻光合膜蛋白中的部分硫原子替换成原子序数稍大的硒原子,使其衍射后更易被区分。“结果,我们研究的蛋白因为结合了大量色素,没有办法进行相关改造。”他说。

  此时,距离王文达开始研究硅藻已过去了近六年。两种最常用的解析办法都行不通,除了已获得的一个形状规则、漂亮的晶体,王文达一无所获,他开始感到绝望。

  但既然选择了这条路,他不想放弃,还想再尝试一个最不可能成功的方法——单波长异常

  衍射。这种方法不需要借助外来元素,只需依靠蛋白自身的硫元素等。王文达打了个比方:“如果说以前的重金属标注办法是在一袋大米里摸一个铅球,那这种办法就像在一袋大米里摸几个玉米粒。”但他还是决定试一试。

  要想尽可能突出硫元素的信号,降低碳、氮、氧等元素信号的干扰,就需要进一步提高衍射的波长,但波长增加、能量降低后,所采集的数据质量也会显著下降。果不其然,前几次的实验都一无所获。

  此时,王文达的同行提出,可以到硬件设施条件更好的瑞士同步辐射光源碰碰运气。王文达没抱太大希望,选了20多个晶体送过去。得到的数据仍是大同小异,同行也不无遗憾地说:“你这是世界性的难题。”

  但王文达不甘心,更不想放弃。

  不知疲倦的“耐力型选手”

  那段时间,王文达把自己彻底“埋”在了数据里,白天在实验室分析,晚上回到住处继续做。“我的那台笔记本电脑烧坏好几个主板了,但我到现在也没舍得扔。”他回忆道。

  转机往往在山穷水尽之时出现。通过对此前得到的20套数据进行反复对比、降噪,王文达终于发现了线索。“有一天,我突然就在程序里看到了一点蛛丝马迹,就像在一团乱麻中找到了一个线头。”他说。

  王文达就像落水的人抓住了岸边的草,紧紧抓着这来之不易的线索,顺藤摸瓜研究了下去。幸运的是,此前他在制作晶体时加入的氯化钙等盐类也在这时发挥了作用。

  “我发现钙原子竟然和蛋白上的某处位置产生了结合!”王文达回忆道,他没放过任何一个细节、步步紧跟,硅藻第一个光合膜蛋白“岩藻黄素叶绿丝a/c捕光蛋白”的结构终于在他眼中逐渐清晰了起来。

  2019年2月,该成果发表在学术期刊《科学》上。

  王文达完成这项工作时,正在日本冈山大学任访问学者。他在日本一共待了一年半,生活几乎全部围着实验室转,曾连续两天不眠不休收集数据。

  “京都、富士山这些景点,我一个都没去过。”原本在日本的访问期限是3年,但没等到访问期满,工作一有突破,王文达就迫不及待地提前回国了,这个成果他等得太久了。

  王文达2006年到中国科学院植物研究所读博,盯上硅藻是在2011年,此时基本已临近毕业。他博士期间的主要研究对象是绿藻,与硅藻并没有直接联系,但在此期间他进行了大量的科研方法训练。2013年博士毕业留在中国科学院植物研究所工作后,他决定继续专注于硅藻光合作用的研究。但他没想到,自己无意中选了一条最难走的路——在同龄人成果层出不穷的时候,他却在硅藻世界里“晕头转向”。

  王文达称自己为“耐力型选手”,工作之余他最喜欢的运动是踢足球,在场上喜欢踢的位置是后腰——“跑动范围大,特别考验耐力”。

  在他看来,做科研同样需要耐力。“我不觉得自己有多么高的科研天赋,甚至在刚开始时连热爱都谈不上。很多事情都是要先坚持下来,有了正反馈,才能说热不热爱。”他说。

  如今,研究硅藻强大的光适应能力是王文达的工作重点。研究虽已小有突破,但他仍不敢懈怠。

  王文达喜欢用“幸运”来总结自己的经历,即使他的经历比大多数人的都要艰辛,但谁都知道,命运总是更愿垂青有准备之人。

(原载于《科技日报》 2022-07-27 08版)

打印 责任编辑:阎芳

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