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近日，中國(guó)科學(xué)院大連化物所太陽(yáng)能研究部人工光合成研究中心李燦院士、王旺銀副研究員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，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。
此研究結(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。他們通過(guò)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。
自然界的生物質(zhì)資源是通過(guò)自然光合作用合成，即在太陽(yáng)光作用下合成各種各樣的生物質(zhì)。太陽(yáng)能對(duì)光合作用是必須的，但是，在自然光合作用過(guò)程中，不是光越強(qiáng)越好，植物在光強(qiáng)度超過(guò)一定的閾值后(光飽和點(diǎn))，會(huì)啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制，不再接收更多的光，這種現(xiàn)象被稱(chēng)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(xiàn)吸收太陽(yáng)能，用于激發(fā)光合反應(yīng)中心，從而驅(qū)動(dòng)水的氧化反應(yīng)并釋放出氧氣，同時(shí)將產(chǎn)生的電子和質(zhì)子分別以NADPH和ATP的形式儲(chǔ)存起來(lái)(光反應(yīng))，以用于二氧化碳固定轉(zhuǎn)化過(guò)程。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(guò)剩的還原力，從而誘發(fā)光抑制，導(dǎo)致太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率和速率都急劇下降，制約了光合作用太陽(yáng)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(gè)重要難題。
科研人員通過(guò)向蛋白核小球藻的培養(yǎng)液中添加人工電子梭(鐵氰化鉀)，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(diǎn)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)，發(fā)現(xiàn)添加人工電子梭可將光合電子及時(shí)導(dǎo)出，使胞內(nèi)活性氧物種的水平下降37%，從而解除了強(qiáng)光下的光抑制。自然狀態(tài)下，NADPH氧化酶可將胞內(nèi)過(guò)剩的還原力通過(guò)NADPH介導(dǎo)的方式傳遞給胞外的溶解氧，然而受限于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及溶解氧濃度，該過(guò)程比較緩慢，而通過(guò)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。
