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《硅藻光合作用特有的光能高效捕获和光保护机制研究取得重要突破》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2019-04-02

  • 硅藻是海洋中最“成功”的浮游光合生物之一，它们通过光合作用贡献了地球上每年约20%的有机物生产力，相当于固定了近五分之一的二氧化碳，高于全球所有热带雨林的贡献，这与硅藻特有的捕光天线蛋白“岩藻黄素-叶绿素a/c蛋白复合体”（Fucoxanthin chlorophyll a/c protein，FCP）的功能密切相关。硅藻的FCP复合体属于捕光天线蛋白复合体（Light harvesting complex，LHC）超级家族，但其氨基酸序列与高等植物和绿藻的叶绿素a/b捕光天线蛋白的同源性很低，而且最为突出的是FCP结合大量岩藻黄素和叶绿素c，能够捕获蓝绿光以适应水下弱光环境。同时，由FCP结合的岩藻黄素和硅甲藻黄素参与建立的硅藻超级光保护机制，可以帮助硅藻适应海水表面的强光环境。然而，硅藻FCP复合体的结构长期没有得到解析，限制了硅藻光合作用机理的研究。　　

    在国家重点研发计划 “蛋白质机器与生命过程调控”重点专项“光合作用重要蛋白质机器的结构、功能与调控”项目（2017YFA0503700）的资助下，中国科学院植物研究所沈建仁研究组首次解析了一种羽纹纲硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）FCP的高分辩率（1.8 ?）晶体结构，描绘了叶绿素c、岩藻黄素及硅甲藻黄素在蛋白复合体中的结合细节及空间排布，揭示了该蛋白复合体高效捕获蓝绿光及其超强光保护功能的结构基础。该研究为实现光合作用光能宽幅、高效捕获和快速传递的理论计算提供了实验依据，为光合作用人工模拟及设计具有宽广的捕光截面和较强的抗光破坏能力的新型作物提供了新思路和新策略。该研究成果近期在Science杂志发表。

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  • 《我国科学家在硅藻特有捕光天线蛋白复合体结构研究中取得突破》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-02-28
    • 硅藻是海洋中最“成功”的浮游光合生物之一，它们通过光合作用贡献了地球上每年约 20% 的原初生产力，且在地球的元素循环和气候变化中发挥重要作用，这与硅藻特有的捕光天线蛋白“岩藻黄素 - 叶绿素 a/c 蛋白复合体”（ Fucoxanthin chlorophyll a/c protein ， FCP ）的功能密切相关。硅藻的 FCP 复合体具有出色的蓝绿光捕获能力和极强的光保护能力，这是硅藻能够在海洋中繁盛的重要原因之一。 　　 硅藻的 FCP 复合体属于捕光天线蛋白复合体（ Light harvesting complex ， LHC ）超级家族，但其氨基酸序列与高等植物和绿藻的叶绿素 a/b 捕光天线蛋白的同源性很低，而且最为突出的是 FCP 结合大量岩藻黄素和叶绿素 c ，能够捕获蓝绿光以适应水下弱光环境。同时， FCP 结合的岩藻黄素和硅甲藻黄素参与建立硅藻的超级光保护机制可以帮助这种浮游生物适应海水表面的强光环境。然而硅藻 FCP 复合体的结构长期没有得到解析，限制了硅藻光合作用机理的研究。 　　 中国科学院科学家团队——植物研究所沈建仁和中国科学院院士匡廷云团队一直致力于高等植物和藻类捕光天线蛋白的研究工作，通过多种手段解析了一种羽纹纲硅藻 —— 三角褐指藻（ Phaeodactylum tricornutum ） FCP 二聚体 1.8埃 的晶体结构。研究人员发现，每个 FCP 单体中结合 7 个叶绿素 a 、 7 个岩藻黄素、 2 个叶绿素 c 、 1 个硅甲藻黄素和一些脂类及去垢剂分子；每个叶绿素 c 分子分别与 2 个叶绿素 a 分子成簇，并与其中一个叶绿素 a 分子紧密耦合，叶绿素 c 的原卟啉环结合在叶绿素 a 和岩藻黄素之间；每个叶绿素簇内部的叶绿素距离都在 3.5埃 左右，可以使能量快速高效地传递； FCP 二聚体内部的叶绿素距离都在 10埃 以内，使激发能达到快速的平衡和传递。 　　 研究人员还发现， FCP 单体中有 6 个岩藻黄素分子插入到光合膜内，另 1 个新型的岩藻黄素分子水平结合在膜表面，这拓展了类胡萝卜素在捕光天线蛋白中的结合方式，提高了其绿光捕获能力；所有岩藻黄素与叶绿素距离都在 4埃 之内，使其捕获的光能可以高效地向叶绿素传递，同时也可能使岩藻黄素成为光保护的有效成员；硅甲藻黄素分子与 FCP 蛋白结合较弱，以便于参加到硅藻的类胡萝卜素循环中，进而使得硅藻适应从水下到水面的快速剧烈的光环境变化。 　　 该研究首次描绘了叶绿素 c 和岩藻黄素在硅藻光合膜蛋白中的结合细节，阐明了叶绿素和岩藻黄素在 FCP 复合体中的空间排布，揭示了叶绿素 c 和岩藻黄素捕获蓝绿光并高效传递能量的结构基础；首次揭示了 FCP 二聚体的结合方式， 对几十年来硅藻主要捕光天线蛋白聚合状态研究提供了第一个明确的实验证据。研究成果为揭示光合作用光反应拓展捕光截面和高效捕获传递光能机理，以及硅藻超强的光保护机制提供了坚实的结构基础；为实现光合作用宽幅捕获和快速传递光能的理论计算提供了可能，为人工模拟光合作用机理提供了新理论依据；为指导设计新型作物、拓展捕光截面、防止光破坏提供了新思路和新策略。 　　 该研究成果于 2 月 8 日在国际学术期刊《科学》（ Science ） 以长文（ Online Research Article ）形式发表，文章题为 Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms 。匡廷云与沈建仁为论文通讯作者，王文达和于龙江为论文共同第一作者。 该项目得到日本冈山大学的合作研究支持，并得到上海同步辐射光源、日本 SPring-8 和 KEK 同步辐射光源、瑞士 SLS 同步辐射光源的技术支持。中国科技部国家蛋白质重点研发计划、中组部人才项目以及中国科学院先导专项、前沿重点项目和院长基金提供了经费支持。 三角褐指藻类囊体膜上的 FCP 二聚体晶体结构。 a 和 b ： FCP 蛋白晶体；蛋白中的叶绿素 a （绿色），叶绿素 c （洋红色）和岩藻黄素分子结构分别以棍状图显示，蓝色为硅甲藻黄素。
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  • 《硅藻—太阳能电池技术突破的新途径》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2019-08-01
    • 硅藻，一种繁衍十分迅速的硅藻类植物，它们的无定型二氧化硅壳体以及独特的立体结构，可以使光在细胞内进行充分的光合作用。在人类发明硅基太阳能电池之前，自然界中的硅藻早已开始利用二氧化硅来收集太阳能。近年来，众多国内外研究人员就希望利用硅藻的光学特性来推动太阳能技术取得突破。 硅藻特殊结构发挥重要作用 藻类有200个门，10万多个种，大多数生活在海水中，能利用太阳能进行光合作用。藻类是世界上光能利用最成功、光能利用率最高的有机体，其能较少的反射太阳光，并通过网格毛孔捕获太阳能。 藻类高效利用阳光的最大秘密在于其外壳，其中单细胞的硅藻外壳是最佳模型。硅藻外壳是由结构极为复杂精密的二氧化硅组成10~50nm 的六边形微孔排列形成丝网状结构，复杂的结构能使射进的光线无法逃逸，这种纹饰繁密的藻壳不仅增强了硅藻的硬度和强度，使其具有能悬浮起来的机械性，而且提高了其运输营养物质和吸附、附着的生理功能，且阻止了有害物质进入，增强了光吸收率。 研究人员在很多具有分级多孔结构的生物材料中发现了天然的光子晶体效应，硅藻的特殊结构让它成为一种良好的光子晶体，能够大大提升光捕获效率，这种特性让硅藻在太阳能电池中发挥了重要的作用。 硅藻天然材料降低所需成本 硅藻这种微小生物对有机太阳能电池(相较于传统太阳能技术，这种技术成本更低)的设计有着独特的价值。因为设计这些电池的一个挑战是，它们需要非常薄的活性层(只有100到300纳米)，而这限制了它们将光能转化为电能的效率。 解决这个问题的方案便是嵌入能够吸收与分散光的纳米结构来提高吸收水平，但这对于大规模生产来说太贵了。而这恰恰就是硅藻能够起作用的地方。经过数十亿年的适应性进化，它们已经尽可能优化了吸收光的能力。而且它们是自然界中最常见的浮游植物，这就意味着它们很便宜。硅藻在世界各地的海洋和淡水中非常普遍，因而成本非常低，所以它们成为改善光伏发电的理想选择。 硅藻有效提高能量转换效率 藻类外壳利用阳光的构筑是未来太阳能电池原材料和模型构筑的最佳供体。有机光伏太阳能电池具有由有机聚合物制成的活性层，这意味着它们比常规太阳能电池便宜，但它们的转换效率不太高，主要因为其有源层非常薄，通常需要小于300纳米，因此这限制了转换效率。 而利用硅藻的光学特性，将硅藻加入到染料敏化太阳能电池（是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能）的二氧化钛薄层后，能量转换效率是原转换效率的1.3-1.4倍（而把硅藻壳体加入到二氧化钛中烧结形成电池阳极，增加了光捕获和在电池中的散射性能，传统二氧化钛覆膜３遍的转换效率为3.8%，加入了硅藻壳体的二氧化钛转换效率可以达到5.26%）。 硅藻对于人类来说就是一个未开发的宝藏，除了在太阳能光伏材料上能有效的突破目前的能量转换效率，而且在其他领域还有着相同重要的应用。例如硅藻细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素、油脂等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等多个领域都有极大的开发前景。 通过硅藻壳生产的微纳米二氧化硅是自然界独一无二、纯度极高的生物无机材料，也是最佳微纳生物平台材料，当然硅藻在养殖过程中也能吸收二氧化碳释放大量氧气，对环境有着巨大的贡献。
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