科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程

科学家捕捉到光合作用“从水到氧”过程日本冈山大学教授沈建仁等人成功捕捉到了负责植物光合作用的蛋白质中存在的催化剂吸收水分子的瞬间。研究报告发表在本周出版的《》期刊上。光合作用是指植物和藻类利用阳光分解水和二氧化碳、产生能量和氧气的反应。名为“光系统Ⅱ”的约20个蛋白质与叶绿素组成的复合体吸收光能，从水分子中分离电子和氢离子，形成氧气分子的过程是光合作用的开始。研究团队此前捕捉到水分子被光系统Ⅱ吸收之后的情形，但不知道这一过程中发生了什么。研究团队在X射线激光设施“SACLA”中，利用持续数十飞秒(1秒的1000万亿分之一)的X射线进行闪光拍摄，捕捉到了光系统Ⅱ蛋白质的快速活动。用可见光照射蛋白质，在促进反应的同时，通过X射线照射分析了吸收水分子后立体结构发生变化的情形。沈教授表示，今后将对光系统Ⅱ的最后一步，也就是出现氧分子的过程进行分析。如果能解析植物的光合作用，并应用其原理，或有望实现人工光合作用。来源，图：圆形的大型放射光设施“SPring-8”和直线型的X射线自由电子激光设施“SACLA”频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

科学家巧妙"破解"光合作用 为可再生能源的突破铺平道路

科学家巧妙"破解"光合作用为可再生能源的突破铺平道路由剑桥大学领导的一个由物理学家、化学家和生物学家组成的国际团队能够在活细胞中以超快的时间尺度研究光合作用--植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的过程：百万分之一秒。尽管它是地球上最知名和研究最充分的过程之一，研究人员发现光合作用仍然有秘密可言。利用超快光谱技术研究能量的运动，研究人员发现能够从负责光合作用的分子结构中提取电子的化学物质在初始阶段就这样做了，而不是像以前认为的那样在很久以后。光合作用的这种"重新布线"可以改善它处理过剩能量的方式，并创造出新的和更有效的使用其能量的方法。这一结果于3月22日在《自然》杂志上报告。尽管光合作用是一个广为人知且被广泛研究的过程，剑桥大学的研究人员发现它仍有隐藏的秘密。通过采用超快光谱技术，他们发现从负责光合作用的分子结构中提取电子发生在比以前假设的更早的阶段。光合作用的这种"重新布线"可能会导致更好地管理过剩的能量，并开发出新的、更有效的方法来利用其潜力。剑桥大学优素福-哈米德化学系的JennyZhang博士说："我们对光合作用的了解并不像我们想象的那样多，我们在这里发现的新的电子转移途径完全令人惊讶。"他负责协调这项研究。虽然光合作用是一个自然过程，但科学家们也一直在研究如何利用它来帮助解决气候危机，例如，通过模仿光合作用过程，从阳光和水产生清洁燃料。张和她的同事最初试图了解为什么一种叫做醌的环形分子能够从光合作用中"偷"走电子。醌在自然界中很常见，而且它们可以很容易地接受和送出电子。研究人员使用一种叫做超快瞬时吸收光谱的技术来研究醌在光合作用蓝细菌中的表现。一个国际科学家小组以百万分之一秒的超快时间尺度研究了活细胞中的光合作用。尽管得到了广泛的研究，光合作用仍然隐藏着未被发现的秘密。通过采用超快光谱技术，研究小组发现，化学物质在比以前认为的更早的阶段从参与光合作用的分子结构中提取电子。这种"重新布线"可以加强该过程对多余能量的处理，并产生新的、有效的方法来利用其力量。张说："没有人正确地研究过这种分子如何在光合作用的早期阶段与光合作用机器相互作用：我们以为我们只是用一种新技术来证实我们已经知道的东西。相反，我们发现了一个全新的途径，并进一步打开了光合作用的黑盒子。使用超快光谱观察电子，研究人员发现，发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是"泄漏的"，允许电子逃逸。这种泄漏性可以帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的损害。"光合作用的物理学令人印象深刻，"共同第一作者、剑桥大学卡文迪什实验室的托米-贝基说，"通常情况下，我们在高度有序的材料上工作，但观察电荷在细胞中的传输为新发现大自然如何运作提供了非凡的机会。""由于来自光合作用的电子分散在整个系统中，这意味着我们可以接触到它们，"共同第一作者劳拉-韦博士说，她在生物化学系从事这项工作，现在在芬兰图尔库大学工作。我们不知道这一途径的存在这一事实令人振奋，因为我们能够利用它为可再生能源提取更多的能量。"研究人员能够在光合作用过程的早期操纵光合作用途径从太阳产生清洁燃料时，可以使该过程更加有效。此外，调节光合作用的能力可能意味着可以使农作物更能够忍受强烈的阳光。许多科学家曾试图从光合作用的早期阶段提取电子，但说这是不可能的，因为能量是如此埋没在蛋白质支架中，张说。"我们可以在更早的过程中偷取它们，这一事实令人震惊。起初，我们认为我们犯了一个错误：我们花了一段时间来说服自己我们做到了。"这一发现的关键是使用了超快光谱学，它使研究人员能够在飞秒级--万亿分之一秒--上跟踪活体光合细胞中的能量流动。共同作者、生物化学系的克里斯托弗-豪（ChristopherHowe）教授说："使用这些超快方法使我们能够更多地了解光合作用的早期事件，而地球上的生命正是依赖于此。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1351213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1351213.htm

革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”

革命性三维快照揭示光合作用背后的“秘密机器”图片显示的是植物RNA聚合酶PEP的高分辨率三维模型，它在光合作用中发挥着核心作用。图片来源：PaulaFavorettiVitaldoPrado和JohannesPauly/MPI-NAT,UMG没有光合作用，就没有空气可呼吸--光合作用是地球上所有生命的基础。这一复杂的过程使植物能够利用太阳光能将二氧化碳和水转化为化学能和氧气。这一转化过程在叶绿体中进行，叶绿体是光合作用的核心。叶绿体是在进化过程中形成的，当时今天植物细胞的祖先吸收了一种光合蓝藻。随着时间的推移，这种细菌越来越依赖于它的"宿主细胞"，但仍保留了一些重要的功能，如光合作用和细菌基因组的一部分。因此，叶绿体仍然拥有自己的DNA，其中包含"光合作用机器"关键蛋白质的蓝图。从PEP到能源马克斯-普朗克多学科科学研究所（MPI）研究组组长、哥廷根大学医学中心教授、哥廷根"多尺度生物成像"（MBExC）英才集群成员豪克-希伦（HaukeHillen）教授博士解释说："一种独特的分子复制机器，即名为PEP的RNA聚合酶，从叶绿体的遗传物质中读取遗传指令。希伦强调说，它对于激活光合作用所需的基因至关重要。没有正常运作的PEP，植物就不能进行光合作用，就会变成白色而不是绿色。"不仅复制过程复杂，复制机器本身也很复杂：它由一个多亚基核心复合体（其蛋白质部分在叶绿体基因组中编码）和至少12个相关蛋白质（称为PAPs）组成。植物细胞的核基因组为这些蛋白提供了蓝图。汉诺威莱布尼茨大学植物学研究所教授ThomasPfannschmidt博士说："到目前为止，我们已经能够从结构和生物化学角度描述叶绿体复制机的一些单独部分，但我们还缺乏对其整体结构和单个PAPs功能的精确了解。"3D详细快照通过密切合作，豪克-希伦（HaukeHillen）和托马斯-普范施密特（ThomasPfannschmidt）领导的研究人员现在首次成功地以3.5埃（比毫米小3500万倍）的分辨率对19个亚基的PEP复合物进行了三维可视化。"我们从植物研究的典型模式植物--白芥子中分离出了完整的PEP，"Pfannschmidt团队的成员、现发表在《分子细胞》（MolecularCell）杂志上的这项研究的第一作者之一弗雷德里克-阿伦斯（FrederikAhrens）介绍说。随后，科学家们利用冷冻电子显微镜创建了由19个部分组成的PEP复合物的详细三维模型。为此，研究人员对样本进行了超高速速冻。然后，研究人员从多个角度对复制机进行了数千次拍摄，直至原子级别，并通过复杂的计算机计算将它们组合成一个整体图像。"结构快照显示，PEP核心与其他RNA聚合酶（如细菌或高等细胞的细胞核）中的核心相似。然而，它包含叶绿体特有的特征，这些特征介导了与PAPs的相互作用。后者只有在植物中才能发现，而且它们的结构非常独特，"国际植物研究所博士生、MBExC赫莎-斯波纳学院成员、该研究的第一作者PaulaFavorettiVitaldoPrado解释说。科学家们已经假定，PAPs在读取光合作用基因的过程中发挥着各自的功能。"我们可以看到，这些蛋白质以一种特殊的方式排列在RNA聚合酶核心周围。根据它们的结构，PAPs很可能以各种方式与核心复合体相互作用，并参与基因读取过程，"Hillen补充说。了解光合作用的演变研究小组还利用数据库寻找进化线索。他们希望找出在其他植物中观察到的复制机结构是否相似。Pfannschmidt说："我们的研究结果表明，PEP复合物的结构在所有陆生植物中都是相同的。关于叶绿体DNA复制过程的新发现有助于我们更好地了解光合作用机器生物发生的基本机制。这些发现对未来的生物技术应用也很有价值。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422939.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422939.htm

驾驭量子物理：新的可视化技术使人们对光合作用有了深入的了解

驾驭量子物理：新的可视化技术使人们对光合作用有了深入的了解第一大学化学教授兼项目负责人南希-马克里说："很难相信相干图是如此简单。当处理非直观的量子现象作为光合作用等复杂过程的一部分时，解释理论计算可能是一个相当大的挑战。但相干图在一个快照中告诉你你需要知道的一切。"在最近发表在《物理化学快报》上的一项研究中，Makri的研究小组应用相干图，以一种新的方式分析了早期的光合作用细菌的计算机模拟。研究人员研究了"收获"阳光的分子复合体，吸收阳光并将其能量转移到一个处理二氧化碳和水的化学反应场所。相干图不仅清楚地显示了能量是如何转移到反应场所的，而且对这种转移给出了明确的量子解释。Makri小组的工作被刊登在《物理化学快报》的封面上。细菌采光复合物的图表与说明复合物量子行为的相干图相对照。来源：《物理化学通讯》杂志Makri解释说，相干图是还原密度矩阵的说明，这是一个包含关于一个系统的量子行为的所有信息的数学对象。她说："即使是规模不大的系统，还原密度矩阵也会变得相当大，而且其所有组成部分都是相互关联的。这实在是太多的信息需要分析了。不过，有了相干图，光是看一眼就有大量的信息从图片中跳出来。"据Makri说，这些信息使研究人员能够"非常透明地"确定细菌光收集复合体中的能量转移途径。该复合体包含一个外环和一个内环的分子。外环吸收太阳光，内环包含化学反应部位。Makri的研究小组表明，这两个环是由分子中的原子的运动连接起来的，相干图清楚地说明了这些运动将能量从外环集中到内环。展望未来，我相信相干图将成为基于量子力学的理论分析的一个宝贵工具。就在这项研究中，他们对光合作用机制给出了重要的见解，这是生物学的伟大奥秘之一。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364981.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364981.htm

科学家用特殊的镜子“囚禁”光线以促进光合作用

科学家用特殊的镜子“囚禁”光线以促进光合作用光合作用是植物将太阳光、二氧化碳和水转化为化学能的过程。人工形式的光合作用可能通过使用太阳能电池和电解器将水分裂成氢气，或通过半透明材料塑造成人工叶子，通过化学反应将阳光转化为能量来重现这一过程。当涉及到为生物体内的光合作用加速时，我们也看到了有希望的进展，例如特殊的电极设计可以提高光合作用细菌的能量收集能力。隆德大学的新研究遵循类似的思路，科学家们利用光合紫色细菌的光收集机制进行研究。这些复合物由蛋白质和叶绿素分子组成，它们将光能转移到另一个被称为反应中心的复合物上，后者反过来驱动生物体的细胞代谢。这些"天线"复合物被放置在两个光镜之间，这两个光镜的间距仅为纳米级别。该团队的实验示意图，涉及光合紫色细菌的镜子和采光复合物图像来源/TönuPullerits隆德大学化学物理学教授TönuPullerits说："我们将所谓的光合作用天线复合物插入两面镜子之间，这两面镜子作为一个光学微腔，相距仅几百纳米。可以说，我们以一种囚禁的方式抓住了在镜子之间来回反射的光线。"通过激光光谱学研究这一过程，科学家们观察到反射的光和天线复合物之间更强的相互作用，反过来又"大大延长了激发状态的寿命"。这反过来可以产生一种涟漪效应，加速能量的转移，最终使光合作用的关键因素之一变得更快、更有效。"我们现在已经在一个漫长的旅程中迈出了几个初步的步骤，"Pullerits说。"可以说，我们已经确定了一个非常有希望的方向。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333931.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333931.htm

利用人工光合作用种植作物

利用人工光合作用种植作物光合作用通常是指绿色植物吸收光能后，把二氧化碳和水转化为有机物（包括可供食用的部分）和氧气。但这个过程的能量效率非常低——只有约1%的太阳能会被植物利用。近日，通过一种人工光合作用的方法，将二氧化碳和水转化为了食物。研究人员利用的是他们自主开发的两步串联电解装置，以及两步电催化方法：首先将二氧化碳和水转化为醋酸盐，然后在黑暗环境下培养可制造食物的生物体，这些生物体能够通过“吃”醋酸盐来繁殖。其中，电能是利用太阳能电池板产生的。研究人员表示，这种有机-无机混合系统可以将能量转化效率（太阳能到“食物”）最多提升到植物的18倍。他们还探究了利用该技术种植农作物的潜力，结果发现，豇豆、番茄、烟草、大米、油菜和绿豌豆都能在黑暗环境中，使用醋酸盐中的碳来生长。研究人员表示，这种人工光合作用的方式或可以用在城市中以便种植作物，或用于未来的太空探索。