NIKKEI——日本经济新闻中文版

日本冈山大学教授 沈建仁（大冈敦摄）

      沈建仁的主要成就：

• 发现了巨大蛋白质复合体的催化剂构造
• 利用X射线揭秘“扭曲椅子”的水分解过程
• 为人工光合作用的实现奠定基础

      滝顺一 ：“地球上的几乎所有生物生存所需要的能量和氧气都依赖于植物的光合作用。人类使用的石油和煤炭也来源于远古时期的植物”，日本冈山大学教授、该大学异领域基础科学研究所所长沈建仁这样说。（文中省略敬称）

      光合作用是在光能的作用下，使用水和二氧化碳生成氧气和碳水化合物。这是一种由大量蛋白质和色素参与的复杂机制。

      光合作用的第一阶段（光反应）是利用光能将水分解成氧气、氢离子（质子）和电子。氧气被释放到植物外部，质子和电子会生成作为生物能量来源的ATP（三磷酸腺苷）和具有还原作用的物质（NADPH，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。第二阶段（碳反应，也称暗反应）是在ATP和NADPH的作用下将二氧化碳转化为碳水化合物（糖）。

      光合作用最开始发生的水分解反应一直存在很大的谜团。

      沈建仁的研究小组从原子层面弄清楚了发生水分解反应的场所（催化中心）的结构。他们用定格拍摄法观察这一反应，并揭开全貌。2011年在《自然》(Nature)杂志上发表的阐明催化中心结构的论文同年被美国《科学》(Science)杂志选定为“2011年度突破（Breakthrough of the year）”之一。

      植物的叶绿体内部有扁平袋状结构的生物膜（类囊体膜）。嵌入该膜中的巨大蛋白质复合体“光系统2 （PS2）”负责水分解反应。沈建仁的研究小组以1.9埃（Angstrom，Å，1亿分之1厘米）的高分辨率成功对PS2进行了X射线结构解析，发现水分解反应源自由4个锰原子、1个钙原子、5个氧原子共10个原子组成的结构。原子配置与椅子相似，因此被称为“扭曲的椅子（Distorted Chair）”。

      沈建仁表示：“扭曲对催化反应非常重要”。原因是，结构不稳定，容易发生变化，电子容易跑出，进行水分解反应的下一步。

      沈建仁说，在以1.9埃的分辨率弄清结构之前“曾连续失败”。PS2是由两个蛋白质复合体（由20个蛋白质组成）紧贴在一起形成的二聚物。其与生物膜的脂质分子有亲和性，不溶于水。为解析结构而使复合体排列整齐并形成晶体并不是一件容易的事情。

      沈建仁1990年代初在日本理化学研究所担任研究员时，开发出了在不破坏PS2的情况下从嗜热蓝藻中提取PS2的方法，但在形成晶体时遇到了困难。即使在把研究基地搬迁到理化学研究所的大型放射光设施SPring-8之后，仍未能制作出优质的晶体。

      2001年，德国马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的研究小组成功形成晶体，并发布了3.8埃分辨率的PS2结构。在这一分辨率下，只能朦胧地显现出关键的催化中心的形态。沈建仁等人2003年发布了分辨率为3.7埃的解析结果，第二年英国帝国理工学院（Imperial College London）的研究小组发布了分辨率为3.5埃的解析结果，2009年德国的研究小组再次发布了分辨率提高到2.9埃的结果，各国研究团队展开激烈争夺。