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。

  

    

      决定胜负的一击是沈建仁研究室的川上惠典（目前为日本理化学研究所研究员）成功实现了可使分辨率达到1.9埃的晶体析出。大阪市立大学教授神谷信夫（现为大阪公立大学名誉教授）等人组成的研究小组对SPring-8获得的数据进行了解析。构成催化中心的原子的距离为2埃左右。德国研究小组的2.9埃未能达到这一水平，只有沈建仁等人的低于2埃的解析，才显现出了结构的细节。

  

      制作晶体是一项没有捷径、需要耐心的工作。需要把从细菌中提取的极少量PS2溶解在水中，慢慢使水蒸发，由此来析出晶体。从细胞中提取PS2时使用的界面活性剂会对获得优质晶体造成阻碍。需要使用多种界面活性剂，改变温度和时间等条件，反复进行尝试。

  

      沈建仁回忆说：“被竞争对手赶超时，好几次都想放弃。但是，必须有人来揭开光合作用的秘密。当时觉得无论如何都要做下去，就继续坚持”。在“扭曲椅子”的氧原子中，有一个（被称为O5）与旁边的锰原子距离稍长。这是“无机锰氧化物没有的生物特征结构”，这才是形成扭曲的真正原因。

  

      在光能作用下，结合力弱的O5被分离。O5或许与通过水分子分解产生的氧气结合，形成氧分子（气体）。虽然这样推测，但最初看到的不过是水分子被分解、产生氧气和质子和电子的过程的中间阶段。难道不能定格拍摄反应的每一个步骤吗？这成了沈建仁等人的新目标。

  

      巧合的是产生强烈X射线的X射线自由电子激光设施“SACLA”在SPring-8的隔壁建成。SACLA发射10飞秒（femtosecond，100万亿分之1秒）的超短脉冲X射线。可以利用闪光灯进行定格拍摄。SACLA于2012年3月开始投入使用。沈建仁研发小组的实验作为第一个课题被采纳。

  

      关于光合作用的水分解过程已有“科克循环模型（Kok cycle model）”这个定论，即每当光能进入，反应就推进一步，由2个水分子依次生成4个质子和4个电子及1个氧分子，并回到原始状态。椅子结构起到的作用是经过反应场所的4个中间状态回到原始状态的催化剂作用。

  

      SACLA的实验向PS2结晶照射可见光，使反应向前推进一步，然后用强烈的X射线脉冲光进行闪光摄影。然后不断重复这一过程。

  

      照射第一束可见光脉冲时，电子飞溅，步骤推进一步。这时，椅子形状没有大幅改变。照射第二束可见光脉冲拍摄时，看到1个水分子进入。水分子进入的场所距离O5只有2埃这么近的距离。近到可以实现氧结合。电子和质子飞溅，椅子结构大幅变化。这些均在几十微秒的一瞬间里发生。

  

      通过再一次的光输入，O5与水分子的氧结合形成氧分子，作为置换，另一个水分子进入，填上O5被分离留出的空隙。虽然所有中间阶段还无法定格拍摄，但沈建仁认为，整个循环过程“通过实验完全可以解释”。

   

沈建仁与研究室的成员反复讨论

        

      沈建仁1961年出生于浙江省杭州市。1978年考入浙江农业大学的环境保护系。研究大气污染对植物的影响。那时，日本已克服50～60年代开始变得严重的公害，正在开展大气污染相关研究。沈建仁“我觉得日本的环保技术很厉害”，他通过中国政府的海外派遣留学生选抜考试，首先进入了东京农工大学环境保护系。

  

      升入东京大学读博时，他选择了PS2作为研究课题。1990年，他来到埼玉县和光市的理研时，主任研究员（当时）井上赖直对他说：“你要不要尝试制作PS2结晶？”。沈建仁回忆说：“我当时回答想做，但当时还不知道有那么困难”。之后，他成功制作出结晶并弄清结构花了大约20年。

  

      沈建仁现在的目标是揭开PS2尚未弄清的步骤及进一步提高分析的分辨率，以实现氢离子可视化，弄清楚支撑“扭曲的椅子”的周边氨基酸的作用。他说，通过氢离子可视化“就可以很清楚地回答水被分解时氢离子是从哪里来的等未弄清的问题，因此非常期待”。

  

      沈建仁向立志成为科学家的年轻人建议：“不放弃的信念很重要”。这源于他专注一个领域获得世界瞩目的成绩的经历。找到最初认为重要的事情并专心去做，还需要区分什么事情是重要的。因此，他说：“倾听很多人的意见，加入学会等，掌握区分‘重要’事情的能力也很关键”。

  

      利用光能将水和二氧化碳转化成氧气和碳水化合物的光合作用还被称作“梦想中的技术”。沈建仁的研究团队的成果是揭示自然发生的特异机制的基础研究，但有望为工业上实现“人工光合作用”奠定基础。

  

      日本经济新闻（中文版：日经中文网）编辑委员　滝顺一

 

      沈建仁：1961年出生于中国浙江省。1982年从浙江农业大学（现在的浙江大学）农学系毕业后，进入东京农工大学大学院，1990年获得东京大学大学院理学系研究科博士。被日本理化学研究所聘为研究员，1997年成为理化学研究所播磨研究所先任研究员。从2003年起担任日本冈山大学教授。2020年获得瑞典皇家科学院的爱明诺夫奖(Gregori Aminoff Prize)。同年获得日本紫绶褒章。

   

  

 

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