近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽能研究部人工光合成研究中心中科院院士李燦、副研究員王旺銀等提出非生物方式電子引流策略，利用人工電子梭導(dǎo)出微藻光合系統(tǒng)內(nèi)的電子，有效解除了光合作用的光抑制，并將導(dǎo)出的電子用于有機(jī)合成反應(yīng)中。
自然界的生物質(zhì)資源是通過自然光合作用合成，即在太陽光作用下合成各種各樣的生物質(zhì)。太陽能對光合作用是必須的，但是，在自然光合作用過程中，不是光越強(qiáng)越好，植物在光強(qiáng)度超過一定的閾值后（光飽和點），會啟動自我保護(hù)機(jī)制，不再接收更多的光，這種現(xiàn)象被稱為光抑制。
在光合作用的微觀機(jī)制中，光合生物的捕光天線吸收太陽能，用于激發(fā)光合反應(yīng)中心，從而驅(qū)動水的氧化反應(yīng)并釋放出氧氣，同時將產(chǎn)生的電子和質(zhì)子分別以NADPH和ATP的形式儲存起來（光反應(yīng)），以用于二氧化碳固定（Calvin cycle）轉(zhuǎn)化過程（暗反應(yīng)）。在強(qiáng)光下，由于自然光合系統(tǒng)中光反應(yīng)與暗反應(yīng)的不匹配，使得葉綠體內(nèi)囊體膜上產(chǎn)生大量過剩的還原力，從而誘發(fā)光抑制，導(dǎo)致太陽能轉(zhuǎn)化效率和速率都急劇下降，制約了光合作用太陽能的轉(zhuǎn)化與生物質(zhì)的合成，因此，如何解除光抑制是光合作用的一個重要難題。
利用人工電子梭導(dǎo)出微藻光合系統(tǒng)內(nèi)的電子有效解除了光合作用的光抑制。
本工作中，科研人員通過向蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）的培養(yǎng)液中添加人工電子梭（鐵氰化鉀），顯著增強(qiáng)了蛋白核小球藻在強(qiáng)光下的光系統(tǒng)II光合放氧能力。研究發(fā)現(xiàn)，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，這種增強(qiáng)效果隨光強(qiáng)的升高而越發(fā)顯著；光系統(tǒng)II氧化水產(chǎn)氧的速率可提高2.6倍，光飽和點可提高7.1倍。此外，研究人員還利用脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，探測了PSII和PSI本征光量子產(chǎn)率的變化，發(fā)現(xiàn)添加人工電子梭可將光合電子及時導(dǎo)出，降低PSII受損傷的程度和幾率，使胞內(nèi)活性氧物種的水平下降37%，從而有效解除了強(qiáng)光下的光抑制。自然狀態(tài)下，NAD(P)H氧化酶可將胞內(nèi)過剩的還原力通過NAD(P)H介導(dǎo)的方式傳遞給胞外的溶解氧，然而受限于反應(yīng)動力學(xué)及溶解氧濃度，該過程比較緩慢，而通過電子梭（鐵氰化鉀）可將電子導(dǎo)出速率提高47倍。這種人工導(dǎo)出的電子和質(zhì)子可以將5-羥甲基糠醛和富馬酸等有機(jī)小分子還原。
本工作結(jié)合了化學(xué)的非基因策略與合成生物學(xué)方法，是研究和理解光合作用的一種可行的方法；通過揭示微藻在光飽和狀態(tài)下光合電子傳輸和分布的特性，為突破光飽和瓶頸以及有效利用人工導(dǎo)出的光合作用電子（還原力）提供了新思路。
以上工作以“Liberating Photoinhibition through Nongenetic Drainage of Electrons from Photosynthesis”為題，發(fā)表在Wiley最新推出的綜合類期刊Natural Sciences上。該工作的共同第一作者是大連化物所王旺銀和博士研究生李定頤。以上工作得到國家自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
