我科學家破解顆石藻高效利用光能的奧秘

本報北京9月15日電（記者齊芳） 顆石藻是海洋中的主要浮游植物之一，其光復合系統能夠高效捕獲和利用光能。中國科學院植物研究所研究員王文達和田利金帶領團隊，首次在原子層面揭示了顆石藻通過擴展和優化其光系統結構來適應海洋光環境的獨特策略，是光合生物適應進化研究中的一個重大發現。相關研究成果日前以封面論文形式發表在國際學術期刊《科學》上。

王文達介紹，顆石藻在海洋碳沉積和全球碳循環中扮演重要角色，其細胞壁是由碳酸鈣晶體組成的顆石片，能夠適應海水不同深度的多變光環境，以高效的光合自養生長快速繁殖。但顆石藻光系統複合物如何能高效捕獲和利用光能的微觀機理並不清楚，進化機制也未見報道。

王文達説：“研究團隊首次純化並解析了來自赫氏艾米里顆石藻的光系統I-巖藻黃素葉綠素a/c結合蛋白（PSI-FCPI）超級複合物三維結構。”這個超級複合物是一個巨大的光合膜蛋白機器，由51個蛋白亞基和819個色素分子組成，分子量高達1.66兆道爾頓。

那麼，究竟是什麼讓顆石藻成為利用光能量的佼佼者？據介紹，顆石藻PSI核心周圍環繞着38個FCPI捕光天線，並以模塊化的方式排列成8個放射狀排布的捕光天線條帶。這種“旋渦”圍繞PSI核心的巨型捕光天線，依靠大量新型捕光天線的精密裝配，極大地擴展了捕光面積。研究團隊還鑑定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類型的類胡蘿蔔素，這些色素在新發現的捕光天線中含量極高，使其能有效地吸收深水區波長在460~540納米間的藍綠光和綠光。此外，大量葉綠素c與葉綠素a形成緊密的能量耦聯並消除能量陷阱，構成平坦暢通的能量傳遞網絡——這可能是其保持超高量子轉化效率的關鍵。

這一研究成果為理解光合生物高效的能量轉化機制提供了新的結構模型。王文達表示，未來，希望以此為基礎設計新型光合作用蛋白，並進一步指導人工模擬和開發高碳匯生物資源，“這在合成生物學和氣候變化應對領域都具有巨大潛力”。