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一篇科学论文背面的探究故事

每一个科学难题的背面都有一盏点亮的明灯,只不过是这盏明灯被幽闭在不透光的密室里,使得外头的人无从知晓。探究者的尽力无非是在厚薄不等的墙上砸开一条裂缝,直到看见里边透出的一线光亮。

撰文 | 翁羽翔(世界科学院物理研讨所 软物质物理试验室)

1 引 言

2020年6月23日,《世界科学:化学》在线宣布了题为“Dynamical and Allosteric Regulation of Photoprotection in Light Harvesting Complex II (高等植物光系统II捕光天线蛋白完成光维护功用的动态及变构调控) ”一文,一项马拉松式的研讨作业总算暂告一段落。从前和朋友聊起这篇论文探究进程之艰苦、宣布进程之崎岖时,朋友竭力鼓舞我把这段阅历写成文字,或许对年青的研讨者有所启迪和学习。可是在提笔的时分,脑海中总有一个挥之不去的姓名:卞和。《卞和献璧》是一个咱们耳熟能详的故事,是中学课文中的一篇文言文,叙述的是卞和献宝的阅历。卞和在楚厉王在位的时分,确定自己找到的璞石是一块稀世宝玉,就把它献给厉王。厉王命玉工看后认为只不过是一块一般的石头,卞和由此落个欺君之罪而失掉一条腿。来年卞和不服,又来献宝,效果失掉了另一条腿。厉王身后文王继位。新君继位,推陈出新,所以便派人去找卞和,此时的他已在山中哭泣了三日,泪尽继之以血。文王令玉工剖璞验石,这才有传于后世的和氏璧。虽然卞和的执着为后人所称道,但也引来后人的质疑:(1)卞和凭什么深信他捡到的石头便是宝玉?就凭他看到凤凰从前栖落在这块石头上?(2)卞和为什么非要去献宝?(3)卞和为什么不自己找玉工先分析璞石,而非要等君王身边的玉工来评判?虽然卞和最终为自己洗净了委屈,但效果仍是让人觉得有些走运。在我看来,与其说卞和仅仅为了献宝,还不如说是在据守他自己的信仰:凤凰非宝石不栖。虽然现在看来这一信仰有点可笑,可细心想来,咱们自己这些现代人身上或多或少也可以折射出卞和的影子。

2 强光下的光合效果——一个少年的成见

江南的仲夏,郊野中墨绿色的水稻在正午的酷日下拔节、扬花、灌浆,直到如金粒般的老练。勤劳劳动的农民可贵有一段悠闲的日子,企盼着往日有足够的阳光,好去充孕每一株谷穗。

叶簌知风起,蛙鸣道雨停。

乐极农闲月,

灯下伴书琴。

这样的日子,分不出是唐是宋,仍是元、明、清。直到西学渐近,科学发达的时代。咱们韶光可以穿越,我必定要去唤醒那位面带饥色的少年:他经常在仲夏的酷日下冲着郊野痴痴地发笑,深信每一株水稻正在酷日下不停地进行光合效果,而光合效果的名词也是不久前刚从他的教师那儿听来的。酷日普照—光合效果—粮食丰盈—碗中的白米饭,一幅多么激动人心的画卷,难怪少年被这正午的酷日陶醉了。

可是,现代科学研讨标明:在自然环境中,太阳光的辐照强度可以在短时刻内呈现出十几倍的差异。植物不只需在低光照条件下完成高效捕光,并把激起能传递给反响中心进行后续的光能—化学能转化,还要在高光强条件下将过量激起能以热的办法耗散掉,然后堵截能量传递通路,防止过量光能构成的辐射危害,完成光维护功用。也便是说,在仲夏正午的阳光下,水稻还有其他植物是不进行光合效果的,而是忙着自救,防止过量光能对反响中心带来的危害!

3 高等植物首要捕光复合物的“世界晶体”——于无声处听惊雷

现代科学前沿范畴的思维和试验探究东西越来越杂乱,分工也越来越细。顶尖的科研效果很少会出自寒门,大都得益于优秀的学术传承和发扬光大。世界科学院植物研讨地点植物光合效果生物化学研讨范畴至少已历经两代人的据守和尽力——汤佩松院士和匡廷云院士。世界科学院生物物理研讨所的X射线晶体学研讨方向则以人工合成胰岛素的晶体结构解析而扬名于世,这一学派代表人物有梁栋才院士、常文瑞院士、饶子和院士。这两大学派相得益彰,催生了世界光合膜蛋白原子级分辩率晶体结构解析的学术高地。匡院士作为榜首批国家要点基础研讨展开规划项目 (973项目,1998—2002年) “光合效果高效光能转化的机理及其在农业中的运用”的首席科学家,对我国的光合效果基础研讨起到了安排和推动效果。作为该项意图代表性效果,2004年3月18日, 常文瑞院士和匡廷云院士领导的团队在 Nature 上以主题论文的办法宣布了“菠菜首要捕光复合物 (LHCII) 2.72 ?分辩率的晶体结构”的学术论,这是国际上榜首个用X射线晶体学办法解析的绿色植物捕光复合物高分辩率空间结构。

论文宣布之前,笔者有幸参与了在香山双清别墅举行的项目结题沟通会。由于参与过几回年度作业沟通会,对一些课题的展开有大致的了解。菠菜首要捕光复合物晶体结构解析的作业展开按例由常先生作陈述。从前几回会议对常先生的形象是正襟危坐,作陈述有板有眼,喜怒不形于色,当然也给年青人留下了一种威严的感觉。

和平常陈述的风格相同,常先生展现了 LHCII 的针状晶体和收集到的X射线衍射数据。记住上一次陈述的时分,常先生讲到这,底下的听众一阵激动,当咱们期待着常先生给出晶体结构的时分,他非常安静地说道:“晶体在X射线的辐照下,溃散了!”底下又是一阵怅惘的骚乱。

这次常先生讲到这儿的时分,咱们都有心理准备,大不了晶体又溃散了!可这次没有,常先生先不紧不慢地给咱们展现了 LHCII 具有和20面体病毒相同空间点群的单晶元胞结构,然后才不温不火地展现了 LHCII 原子级分辩率的晶体结构,其时整个会场被镇住了,足足有大约5分钟的时刻会场上万籁俱寂,我是榜首个从这种震慑中清醒过来的,便带头兴起掌来。在持续的掌声中,常先生仍是一言不发地站在讲台上,直到匡先生热泪盈眶地拿起了话筒,开端叙述个中的弯曲,而我在底下悄悄地按下了快门 (图1) 。会后常先生专门打电话叮咛我在论文正式宣布前,不要别传有关晶体结构的相片。

图1 (左)匡廷云院士和常文瑞院士在2003年举行的973结题陈述会上;(右)2005年匡先生给笔者安置从“世界晶体”到“世界机理”的研讨任务

LHCII 原子级分辩率晶体结构的解析是世界科学家的自豪。匡廷云院士在不同的场合说到 LHCII 的晶体结构被国外同行科学家称为“世界晶体”,以此勉励国内从事物理、化学与生物学穿插研讨的学者尽力将该蛋白质的作业机理弄清楚,做出与“世界晶体”相等的“世界机理”来。这便是“世界晶体”和“世界机理”说法的由来。关于“世界晶体”和“世界机理”的说法,物理学家戴希教授认为,不宜人为地用狭窄的地域概念去分裂科学,自己深认为然。关于光合效果研讨起步较晚的我国,这样的说法更侧重于对后来者的鼓励吧,现代科学的展开离不开国际间的沟通和协作!关于物理所人,冲击“世界机理”便成了一项见义勇为的任务。

4 三人成一众,聚散靠温度——一个令人心动的猜测

LHCII 在自然界首要以三聚体的办法存在,可以简化成三个外切的椭圆(图2(b)中绿色填充部分)。其间,蓝色三联小球标明镶嵌在蛋白中的叶绿素 b,相应的赤色三联小球为叶绿素 a。咱们用虚线画出两个圆环别离标明内圈和外圈的相互效果色素分子,可以看出,环上的色素分子牌子办法与光合细菌捕光天线中牌子成圆环状的细菌叶绿素分子 (图2(a)) 有很大的相似性。关于光合细菌环状捕光天线的量子力学研讨标明,细菌叶绿素分子经过偶极相互效果,构成电子态相干的离域态,可以向附近的捕光天线进行无方向约束的高效传能。

图2 (a)光合细菌捕光天线蛋白—色素复合物(LH2)中细菌叶绿素分子的空间牌子示意图;(b)LHCII经过变温诱导解聚/集合完成高效捕光和光维护功用间切换的猜测示意图

2005年头,在与世界科学院化学研讨所张建平研讨员的评论中奇形怪状出了思维火花,遭到光合细菌捕光天线分子结构的启示,高等植物三聚体的两个色素环会不会也有这样的功用?内环色素分子可将能量传递给外环,外环色素分子和相邻的 LHCII 三聚体之间可进行无方向约束的高效传能。咱们温度升高,三聚体可能产生解聚,传能环被拆解,然后阻断传能通道,完成光维护功用。等温度下降后三聚体结构又可以康复,如此循环往复,完成高效捕光与光维护之间的可逆切换(图2)。

标明光系统 II 的反响中心与捕光天线的触摸部分。LHCII 经过单体 (M,monomer) 到二聚体 (D,dimer) 及三聚体 (T,trimer) 之间的集合平衡,“开合自如”地调控了两个传能环,启动了蛋白质分子机器。评论中提出运用脉冲升温 (T-jump)、核磁共振 (NMR)、单分子光谱及分子生物学等手法来研讨这一动态转化进程。

上述主意简略易懂,并且形似不需求触及过多的蛋白质动态结构细节,就很自然地把它作为立异点“具有生物活性功用的 LHCII 在类囊体膜中是以三聚体的办法存在的,咱们拟将 LHCII 三聚体的动态聚合/解聚协作为研讨 LHCII 经过蛋白质动态结构改变完成高效捕光功用和有用光维护功用之间切换的突破点”去请求国家项目,可是一向没有请求成功。虽然这个激动人心的猜测到2017年才完全幻灭,但却鼓励了10余年间不懈的探究和研讨条件的堆集。

图3 2005年翁羽翔、张建平评论后黑板板书相片(评论纪要为张建平收拾)

5 CO中红外激光器——有钱的玩钱,没钱的玩命

1999年回到世界科学院物理研讨所作业,其时没有请求到百人计划的支撑。组里最好的设备是从前三个组合买的一台进口YAG脉冲激光器,咱们轮番运用。角落里还有一台用紫色天鹅绒布覆盖着的、由石英杜瓦瓶液氮浸式冷却放电管构成的中红外一氧化碳 (CO) 分子气体激光器。这是傅克坚研讨员 (傅作义先生女儿) 的课题组留下的,停滞在那里应该有5—6年之久,了解这台激光器的人都现已离开了这个试验室。其时在考虑怎么运用现有的条件展开有意义的研讨,而不至于虚度光阴。碰巧在海淀图书城买到一本由国内多位闻名科学家编撰的《21世纪的100个科学难题》,其间有一篇是世界科学院生物物理研讨所王志珍院士 (后来有幸与其协作) 写的文章“中心法则的空白——从重生肽到蛋白质”,谈到“蛋白质折叠问题”是科学难题,联想到我在 Emory 大学做博后时知道的乔治亚理工学院 (Georgia Institute of Technology) Mostafa El-sayed 教授的博士生王建平,他其时正在展开运用脉冲升温—纳秒时刻分辩中红外光谱研讨蛋白质折叠动力学,所以就下决心展开这个方向的研讨。

榜首件事是怎么让CO激光器作业起来,在找不到知情者咨询的情况下,想到去所科技档案室碰碰命运,看看有没有相关的材料存档。没想到,李春芳教师竟然从档案室给了我一个厚厚的材料袋,里边不光有研发任务书,还有图纸及仪器检验方针,要害还有这台设备的研发单位大连理工大学的联络人和电话。凭仗这个电话号码,找到了大连理工大学的于清旭教授,从此展开了后来持续多年的CO激光器晋级换代作业。2001年开端接连三年向自然科学基金委员会递送运用脉冲升温—时刻分辩中红外激光光谱研讨蛋白质动态结构的请求,直到第三次请求才总算取得了面上基金的赞助。多年后才知道,项目进入会评阶段多亏了其时只需一面之缘的大连化学物理研讨所李灿院士的支撑。期间在于教师的指导下,学会了CO激光器的出光调试,可是这台老激光器一旦接连运转起来,问题便层出不穷,不是变压器被烧坏,便是大电容被击穿,并且激光安稳性差,就连真空橡胶抽气管用几回也会穿孔决裂,如此等等,不胜枚举。记住那年冬季,简直十个指头都缠着胶布。有一次无意中看到一篇材料讲到臭氧对人体皮肤的危害,联想CO激光器放电后石英管中会残存很多蓝色的液态臭氧,不只腐蚀人的皮肤,必定也会腐蚀真空橡胶管,由此一举处理了手指皲裂和真空橡胶管被腐蚀的问题。那段时刻正好我父亲来北京,很少有时刻陪他出去转。老人家从乡下来,满怀期望地想见识一下在世界科学院物理研讨所上任、多年游学海外的“海归学子”。看到我每天早出晚归,忙忙碌碌的姿态,父亲很是绝望,在我家住了一个月就回去了。临走时扔下一句话:“都认为你是个海归,我看你便是一个打工仔”。是的,对不住了父亲,我原本便是一个打工仔,不同的是,这回是为自己打工,为自己的国家打工。

还有一个问题是光路的实时调理。红外激光看不见,因而规划激光器时在镀金的端面反射镜上开了一个 5 mm 的小孔,引进氦氖激光作为指示光。激光放电管由中心的正极 (零电位) 和石英管两头各一个负极构成。正负电极之间的电压为7千多伏。接线柱在激光器靠墙的一侧,但裸露在空气中,平常不会碰到接线柱。在调理谐振腔光路时,需求两人协作,一人的手臂要从靠墙的一面空地中伸到输出镜侧的定位光阑处,经过开闭光阑检查指示光的方位,指挥另一人调理端面镜的反射光路。实际操作中,我担任“指挥员”的人物。为了安全起见,先在地上铺上绝缘的胶垫,再穿上胶底拖鞋,心想即便碰到负极,身体也只不过是个等电势体,应该不会产生什么意外。在一次调光路进程中,我和张庆利同学(该方向榜首个研讨生)都穿戴短袖。我左手臂无意中碰到电极,而恰在这个时分,张庆利的手臂碰到了我的右臂膀,登时感觉到一股电流涌向心脏,引起心脏张狂地跳动,令人窒息。而这时左手腕带的金属表和皮肤之间也放起电来,除了蓝色的电光外,还宣布一股焦糊味。奇怪的是,张庆利竟然一点感觉也没有,本来是 7600 V 电压经过他 (零电位) 把我给接地了!2006年在厦门大学举行的全国跨学科蛋白质大会上,我在陈述中亮出了这句感悟:做科研是“有钱的玩钱,没钱的玩命”,没想到这成了那届会议被引证最多的一句话。

6 结业作业的压力——一篇文章一条命

脉冲升温—纳秒时刻分辩红外光谱研讨蛋白质动态结构的原理是,红外光谱可以辨认蛋白质的二级结构,如α-螺旋、β-折叠、无规弯曲、环折结构及分子间氢键等。而激光脉冲升温办法可以给蛋白质一个快速的扰动,一般由脉宽为10 ns的脉冲激光激起水或氘代水的泛频吸收,可在20 ns时刻内引起系统约20 ℃的温升,比传统的反响逗留法测定蛋白质折叠动力学的时刻分辩率高出几个数量级。可是惯例的掺钕YAG激光器1.064 μm的基频输出无法直接用作加热脉冲,有必要经过一个以高压氢气为介质的拉曼频移器,将基频红移到2 μm左右。拉曼频移器看起来很简略,在一段不锈钢管的两头别离安装上石英窗口。但要保证其在几十个大气压下安全作业,谁也没有把握。2002年拜访日本东京大学的一个光谱试验室,传闻一个充有80个大气压的拉曼频移器出了事端,石英窗片被高压气体推出,在对面的墙上砸出了一个大洞,幸而没有伤着人。虽然有危险,仍是想由自己规划加工,并就此事请教许祖彦院士。许先生独爱咱们,清华大学的娄彩云教授做过拉曼频移器用以产生通讯波段的激光 (1.54 μm,用甲烷做介质)。就这样从娄教师那里拿到了拉曼频移器,额外安全作业气压为20个大气压。试验中激光转化功率太低,王莉同学 (北京理工大学联合培育的研讨生) 把气体池加长,又在娄教师的指导下胆战心惊地把气压一点点进步到30个大气压,总算满足了试验要求。这时张庆利同学也把CO安稳性进步到了较为满足的水平,与加热脉冲激光联用后,完成了勘探光吸收改变率 (ΔOD) 丈量精度为10^的基本要求。其时经费缺少,连王莉的薪酬都开不出来了,所以硬着头皮去找杨国桢院士帮我想想办法,以解当务之急。没想到杨先生听完我说的困难后,爽快地把他当年的院士个人分配的立异经费转给了我。

2006年叶满萍同学开端了LHCII三聚体的变温红外和脉冲—升温时刻分辩红外光谱研讨,样品经过匡先生介绍由世界科学院植物研讨所王可宾教师供给。其时面临的最大问题是单波长扫描丈量的瞬态红外光谱重复性欠好,所以将红外光分红两路,一路勘探样品,一路作为参阅光,实时扣除CO激光强度颤动,虽然数据质量明显进步,但重现性仍是差强人意。最终只好从几十套瞬态光谱数据中挑出几套自认为可靠性高的进行均匀,但仍然难以确定光谱丈量的准确性。2008年5月,叶满萍结业并联络好去东京大学做博士后,按计划9月份去日本。看着这一堆没有有条理的数据,就和她商议,能否再运用去日本前这段空档时刻,多重复几套数据,给出一个可信的效果?得到的答复是:“从6月6号开端,我现已不是物理所的人了!”,弦外之音是教师的指挥棒失灵了。虽然答复让我感到有些忽然,冷静下来仍是深入反思一下为什么会这样?连试验技能现已很娴熟的学生也在故意逃避和逃离这个课题,换个新手会有改进吗?答案是否定的,细心研讨试验数据后,得出的结论是,丈量精度有必要进步一个数量级,即到达10^ΔOD 才可以取得可信的数据!没有其他捷径,只能改造晋级试验设备!并且有必要扔掉运用拉曼频移器这一通用做法。由于试验发现由于高能量激光对气体池的加热效应,导致拉曼频移输出光在空间方位的重现性差,从而导致加热激光和勘探光焦点在样品中的空间重合无法保证。别的CO激光输出功率的安稳性也有待于进一步进步。新的计划是将加热脉冲改用掺钬的YAG激光,直接取得2 μm的基频输出。可是这种激光器没有商用产品,要自己研发。

2008年10月取得了中科院要点仪器研发项意图赞助,其间研发掺钬YAG激光器的作业由世界科学院安徽光学精密机械研讨所的协作者承当,新一代脉冲升温—纳秒时刻分辩中红外瞬态吸收光谱仪的调试作业由李得勇同学担任。记住榜首次在新的设备上看到瞬态信号时,本来的热切期望被活生生地浇灭了:仪器的电磁搅扰信号竟然高达1.5 V,首要来自于钬激光电源。我把多年堆集的经历用上后,总算把噪声降到了10 mV的水平,然后和李得勇讲,10 mV的噪声水平是我做博士时代的水平,20多年过去了,技能办法总之有很大的出息吧,下面就看你的了,我的要求是毫伏量级。经过各种试错(trial-and-error),总算完成了这个方针。

2015年世界科学院物理研讨所科研简报“高精度脉冲升温—纳秒时刻分辩中红外瞬态光谱仪的成功研发”写到:2015年5月27日,Review of Scientific Instruments宣布了世界科学院物理研讨所软物质院要点试验室翁羽翔研讨组的一篇题为 “A Q-switched Ho: YAG laser assisted nanosecond time resolved T-jump transient mid-IR absorbance spectroscopy with high sensitivity”的仪器研发论文,报导了新一代具有国际先进水平的脉冲升温—纳秒时刻分辩中红外吸收差光谱仪的成功研发;包括研发高安稳接连输出可调谐一氧化碳中红外激光勘探光源,以及研发新式的脉冲激光加热光源,即空间方式安稳、输出能量安稳的纳秒调Q 的Ho: YAG 脉冲近红外激光光源 (2.1 μm,与世界科学院安徽光学精密机械研讨所吴先友研讨员协作) 。该设备对蛋白质细胞色素c的脉冲升温—时刻分辩中红外光谱丈量效果标明,在蛋白质酰胺 I'光谱规模 (1600-1700 cm^) 内到达的均匀丈量精度为2×10^ ΔOD。简报的最初是这样写的:“十年磨一剑,不敢试矛头,再磨十年剑,泰山石敢挡”。现在看来LHCII便是一块用来试剑的泰山石。

图4 作者(左)和李姗姗(右)向王志珍院士(中)请教蛋白质折叠动力学问题(2010年12月摄于生物物理所王先生办公室)

和李得勇同学同年入所的李姗姗同学则投入了LHCII的研讨作业中。由于研讨作业一向没有取得实质性的效果,也欠好意思再向植物所要样品了,最好的处理计划是自己可以提取样品,并由此把握提取蛋白样品进程中所增加的试剂成份和含量。走运的是,世界石油大学黄岛校区黄方教授组里的刘双教师乐意教咱们,李姗姗就在那里学会了从菠菜叶片中提取LHCII的试验办法。由于仪器研发进程中碰到许多料想不到的困难,李姗姗没有比及新的设备,而LHCII稳态光谱的数据尚不可以阐明问题,她离结业要求还差一篇论文,就提出把LHCII的开始效果收拾后投给国内的期刊,我没有容许。在延期结业的日子里,李姗姗只好运用旧的脉冲升温—时刻分辩中红外光谱仪研讨北京大学生命科学学院昌增益教授供给的热休克蛋白,在修改稿回来给Scientific Report 编辑部绵长的三周时刻等待中,延期结业、作业竞赛以及日子与家庭,好像一切的成功与否都维系在一篇论文是否被接纳上,来自数方面的压力差一点将她压垮了。差不多是第三周的一个晚上,晚饭后按例查一查邮件,当看到了编辑部的接纳函时,便一会儿从椅子上跳了起来,大声嚷嚷“接纳啦!接纳啦!”,致使我太太跑过来看到我其时的景象,冷冷地说了一句“你们这些搞科研的,一个个像范进中举似的,不就一篇文章,至于吗?”,我其时的答复是:“你知道吗?一篇文章一条命!”

7 结识高加力教授——无心插柳的机缘

美国明尼苏达大学化学系和超算中心的高加力教授是分子动力学模仿研讨的专家,是分子动力学模仿的开山祖师、诺贝尔化学奖得主哈佛大学Martin Karplus教授的高足。我和他在2015年基金委物理化学处要点项目辩论会上初次见面,高教师来做请求辩论,他与吉林大学理论化学研讨所展开协作研讨作业,我是其时的分析专家。那年分析会形象深入,年青学者如复旦大学的刘志攀教授等胜出,而两员老将高教师还有世界科学技能大学的严以京教授则铩羽而归。第二年高教师持续参与辩论,项目是运用分子动力学模仿的办法核算蛋白质二级结构的红外光谱,精度到达 1 cm^。这样的请求陈述对我而言不啻是高山流水之音。一激动,就做了一番即席讲话。高教师那年总算拿到了项目,或许便是由于这一番讲话,他便知道了国内有位运用红外光谱解析蛋白质二级结构的翁羽翔。那年9月份,高教师和他的搭档李辉教授忽然拜访世界科学院物理研讨所,就在物理所“总理咖啡屋”一叙。问寒问暖往后,就切入正题,我非常期望可以和这样的高人展开协作,所以就在咖啡屋的电子屏幕上给高教师介绍起了高等植物捕光天线的非光化学淬灭和咱们的LHCII三聚体动态聚合/解聚调控的主意和研讨展开。

在长时刻的进化中,植物展开出多种不同时刻标准与空间标准的光维护机制,其间一种极为重要的机制叫做非光化学淬灭。非光化学淬灭产生的场所首要在类囊体膜,其淬灭位点包括光系统II首要捕光天线三聚体(LHCII trimer)与内周辅佐捕光天线单体 (CP29、CP26、CP24)。捕光天线将过量的激起能在微秒时刻标准内以热的办法耗散到环境中。尤其是捕光天线 LHCII,叶绿体中的含量最高约占60%左右。晶体结构标明,LHCII单体包括6个叶绿素b,8个叶绿素a,与4个类胡萝卜素分子:两个叶黄素 (lutein),一个新叶黄素分子 (9'-cis Neaxanthin) 以及花药黄素 (antheraxanthin,叶黄素循环的中心体) 。其间,LHCII 的蛋白质骨架由三段跨膜α-螺旋(A, B,C)构成,A和B呈剪叉式牌子,穿插点由两对带正负电荷的氨基酸 (Arg70-Glu180,Glu65-Arg185) 经过构成盐桥确定;类囊体腔侧包括

?β股结构相连。叶绿素分子“镶嵌”在蛋白质骨架上,彼此之间以特定的取向和间隔有序散布,在捕获光子与传递光能的进程中发挥着重要的效果。类胡萝卜素分子首要散布在叶绿素分子的周围,经过及时铲除自由基氧和过多的光能,维护植物免受过多光能的危害,蛋白质骨架为这些色素分子供给结合位点。其时咱们认为现已取得了LHCII三聚体解聚的开始根据,试验计划是这样的:根据晶体结构,LHCII三聚体中,单体界面处存在一些结合的水分子,在室温条件下,没有露出出来的水分子不会和溶剂氘代水进行氢氘交换,咱们产生热解聚,跟着温度的升高,结合的水分子会释放出来进行氢氘交换后构成HOD,并且在红外光谱1450 cm^处呈现有别于H2O和D2O的特征峰。前期叶满萍、李姗姗和后来的李昊同学,他们的变温红外光谱的数据都证明1450 cm^的吸收强度随温度升高而增强。最终期望高教师可以和咱们协作,用分子力学模仿提醒LHCII跟着温度升高的解聚进程,证明LHCII三聚体动态聚合/解聚的主意,由于到目前停止,稳态和瞬态光谱数据既无法证明,也没有否定该主意。

8 苦楚不必定来自外部的冲击,但必定是心里期望的幻灭

大约半年后,高加力教授第2次来到物理所,同样在咖啡屋,仅仅讲演的主角换成了高教师。高教师先展现了由24万多个原子构成的LHCII三聚体、磷脂双层膜和水分子构成的开始模型,然后演示了三聚体在高温下存在的一个开合运动,以及界面结合处水分子随温度升高逐步掉落的进程。当看到水分子的确跟着温度的升高从界面处掉落,这一点和试验相符时,感到很快乐。但接下来是令人困惑的问题:分子动力学模仿底子没有提醒三聚体存在随温度升高而解聚的痕迹!结合植物所卢从明研讨组2007年在Plant Physiology 上宣布的试验作业,他们的效果标明LHCII三聚体跟着温度的升高的确产生了非光化学淬灭 (NPQ,non-photochemical quenching),但没有产生三聚体的解聚,而是热诱导三聚体集合进程。面临上述事实,不得不放下梦想,眼前一片苍茫,就像吹灭了十多年来照亮在漆黑中摸索的一盏油灯,此时又从头陷入了完全的漆黑。怎么办?投入了这么多的人力、物力和时刻,莫非就此打住?冷静下来后意识到本来为什么这么执着于这个主意,有深层次的原因,那便是对海量生物文献的惊骇,由于只需物理模型成功,就没有必要去了解生物学上的细节。在当时这种骑虎难下的景象下,唯有扎扎实实地做好文献调研,理清学术头绪才有从头启航的期望。接下来在查阅很多与荧光非光化学淬灭的相关文献后知道到 (到论文宣布停止,阅读了近500篇论文) ,国际上关于NPQ的机制本来一向是有争辩的,虽然如此,以英国伦敦玛丽皇后大学的Alexander Ruban教授为代表的一派提出的机理非常吸引人,也基本上处于干流位置,即一对穿插牌子的叶黄素分子,各带一个叶绿素a分子,构成两对叶黄素—叶绿素色素对,当色素对中叶绿素与叶黄素分子距离较远时,叶黄素分子将光谱蓝区捕获的能量传给激起态能量较低的叶绿素分子,完成高效捕光;咱们两者靠得很近,则叶绿素将激起态能量传给叶黄素的

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