NIKKEI——日本經濟新聞中文版

日本岡山大學教授 沈建仁（大岡敦攝）

      沈建仁的主要成就：

• 發現了巨大蛋白質複合體的催化劑構造
• 利用X射線揭秘「扭曲椅子」的水分解過程
• 為人工光合作用的實現奠定基礎

      滝順一 ：「地球上的幾乎所有生物生存所需要的能量和氧氣都依賴於植物的光合作用。人類使用的石油和煤炭也來源於遠古時期的植物」，日本岡山大學教授、該大學異領域基礎科學研究所所長沈建仁這樣説。（文中省略敬稱）

      光合作用是在光能的作用下，使用水和二氧化碳生成氧氣和碳水化合物。這是一種由大量蛋白質和色素參與的複雜機制。

      光合作用的第一階段（光反應）是利用光能將水分解成氧氣、氫離子（質子）和電子。氧氣被釋放到植物外部，質子和電子會生成作為生物能量來源的ATP（三磷酸腺苷）和具有還原作用的物質（NADPH，還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）。第二階段（碳反應，也稱暗反應）是在ATP和NADPH的作用下將二氧化碳轉化為碳水化合物（糖）。

      光合作用最開始發生的水分解反應一直存在很大的謎團。

      沈建仁的研究小組從原子層面弄清楚了發生水分解反應的場所（催化中心）的結構。他們用定格拍攝法觀察這一反應，並揭開全貌。2011年在《自然》(Nature)雜誌上發表的闡明催化中心結構的論文同年被美國《科學》(Science)雜誌選定為「2011年度突破（Breakthrough of the year）」之一。

      植物的葉綠體內部有扁平袋狀結構的生物膜（類囊體膜）。嵌入該膜中的巨大蛋白質複合體「光系統2 （PS2）」負責水分解反應。沈建仁的研究小組以1.9埃（Angstrom，Å，1億分之1釐米）的高解析度成功對PS2進行了X射線結構解析，發現水分解反應源自由4個錳原子、1個鈣原子、5個氧原子共10個原子組成的結構。原子配置與椅子相似，因此被稱為「扭曲的椅子（Distorted Chair）」。

      沈建仁表示：「扭曲對催化反應非常重要」。原因是，結構不穩定，容易發生變化，電子容易跑出，進行水分解反應的下一步。

      沈建仁説，在以1.9埃的解析度弄清結構之前「曾連續失敗」。PS2是由兩個蛋白質複合體（由20個蛋白質組成）緊貼在一起形成的二聚物。其與生物膜的脂質分子有親和性，不溶於水。為解析結構而使複合體排列整齊並形成晶體並不是一件容易的事情。

      沈建仁1990年代初在日本理化學研究所擔任研究員時，開發出了在不破壞PS2的情況下從嗜熱藍藻中提取PS2的方法，但在形成晶體時遇到了困難。即使在把研究基地搬遷到理化學研究所的大型放射光設施SPring-8之後，仍未能製作出優質的晶體。

      2001年，德國馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的研究小組成功形成晶體，並發布了3.8埃解析度的PS2結構。在這一解析度下，只能朦朧地顯現出關鍵的催化中心的形態。沈建仁等人2003年發佈了解析度為3.7埃的解析結果，第二年英國帝國理工學院（Imperial College London）的研究小組發佈了解析度為3.5埃的解析結果，2009年德國的研究小組再次發佈了解析度提高到2.9埃的結果，各國研究團隊展開激烈爭奪。