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，只能矇矓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。

  

    

      決定勝負的一擊是沈建仁研究室的川上惠典（目前為日本理化學研究所研究員）成功實現了可使解析度達到1.9埃的晶體析出。大阪市立大學教授神谷信夫（現為大阪公立大學名譽教授）等人組成的研究小組對SPring-8獲得的數據進行了解析。構成催化中心的原子的距離為2埃左右。德國研究小組的2.9埃未能達到這一水準，只有沈建仁等人的低於2埃的解析，才顯現出了結構的細節。

  

      製作晶體是一項沒有捷徑、需要耐心的工作。需要把從細菌中提取的極少量PS2溶解在水中，慢慢使水蒸發，由此來析出晶體。從細胞中提取PS2時使用的界面活性劑會對獲得優質晶體造成阻礙。需要使用多種界面活性劑，改變溫度和時間等條件，反覆進行嘗試。

  

      沈建仁回憶説：「被競爭對手趕超時，好幾次都想放棄。但是，必須有人來揭開光合作用的秘密。當時覺得無論如何都要做下去，就繼續堅持」。在「扭曲椅子」的氧原子中，有一個（被稱為O5）與旁邊的錳原子距離稍長。這是「無機錳氧化物沒有的生物特徵結構」，這才是形成扭曲的真正原因。

  

      在光能作用下，結合力弱的O5被分離。O5或許與通過水分子分解産生的氧氣結合，形成氧分子（氣體）。雖然這樣推測，但最初看到的不過是水分子被分解、産生氧氣和質子和電子的過程的中間階段。難道不能定格拍攝反應的每一個步驟嗎？這成了沈建仁等人的新目標。

  

      巧合的是産生強烈X射線的X射線自由電子雷射設施「SACLA」在SPring-8的隔壁建成。SACLA發射10飛秒（femtosecond，100萬億分之1秒）的超短脈衝X射線。可以利用閃光燈進行定格拍攝。SACLA於2012年3月開始投入使用。沈建仁研發小組的實驗作為第一個課題被採納。

  

      關於光合作用的水分解過程已有「科克迴圈模型（Kok cycle model）」這個定論，即每當光能進入，反應就推進一步，由2個水分子依次生成4個質子和4個電子及1個氧分子，並回到原始狀態。椅子結構起到的作用是經過反應場所的4個中間狀態回到原始狀態的催化劑作用。

  

      SACLA的實驗向PS2結晶照射可見光，使反應向前推進一步，然後用強烈的X射線脈衝光進行閃光攝影。然後不斷重覆這一過程。

  

      照射第一束可見光脈衝時，電子飛濺，步驟推進一步。這時，椅子形狀沒有大幅改變。照射第二束可見光脈衝拍攝時，看到1個水分子進入。水分子進入的場所距離O5隻有2埃這麼近的距離。近到可以實現氧結合。電子和質子飛濺，椅子結構大幅變化。這些均在幾十微秒的一瞬間裏發生。

  

      通過再一次的光輸入，O5與水分子的氧結合形成氧分子，作為置換，另一個水分子進入，填上O5被分離留出的空隙。雖然所有中間階段還無法定格拍攝，但沈建仁認為，整個迴圈過程「通過實驗完全可以解釋」。

   

沈建仁與研究室的成員反覆討論

        

      沈建仁1961年出生於浙江省杭州市。1978年考入浙江農業大學的環境保護係。研究大氣污染對植物的影響。那時，日本已克服50～60年代開始變得嚴重的公害，正在開展大氣污染相關研究。沈建仁「我覺得日本的環保技術很厲害」，他通過中國政府的海外派遣留學生選抜考試，首先進入了東京農工大學環境保護係。

  

      升入東京大學讀博時，他選擇了PS2作為研究課題。1990年，他來到埼玉縣和光市的理研時，主任研究員（當時）井上賴直對他説：「你要不要嘗試製作PS2結晶？」。沈建仁回憶説：「我當時回答想做，但當時還不知道有那麼困難」。之後，他成功製作出結晶並弄清結構花了大約20年。

  

      沈建仁現在的目標是揭開PS2尚未弄清的步驟及進一步提高分析的解析度，以實現氫離子可視化，弄清楚支撐「扭曲的椅子」的周邊氨基酸的作用。他説，通過氫離子可視化「就可以很清楚地回答水被分解時氫離子是從哪來的等未弄清的問題，因此非常期待」。

  

      沈建仁向立志成為科學家的年輕人建議：「不放棄的信念很重要」。這源於他專注一個領域獲得世界矚目的成績的經歷。找到最初認為重要的事情並專心去做，還需要區分什麼事情是重要的。因此，他説：「傾聽很多人的意見，加入學會等，掌握區分‘重要’事情的能力也很關鍵」。

  

      利用光能將水和二氧化碳轉化成氧氣和碳水化合物的光合作用還被稱作「夢想中的技術」。沈建仁的研究團隊的成果是揭示自然發生的特異機制的基礎研究，但有望為工業上實現「人工光合作用」奠定基礎。

  

      日本經濟新聞（中文版：日經中文網）編輯委員　滝順一

 

      沈建仁：1961年出生於中國浙江省。1982年從浙江農業大學（現在的浙江大學）農學系畢業後，進入東京農工大學大學院，1990年獲得東京大學大學院理學系研究科博士。被日本理化學研究所聘為研究員，1997年成為理化學研究所播磨研究所先任研究員。從2003年起擔任日本岡山大學教授。2020年獲得瑞典皇家科學院的愛明諾夫獎(Gregori Aminoff Prize)。同年獲得日本紫綬褒章。

   

  

 

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