硅藻|王文达：揭开硅藻光能利用的秘密

那段时间，王文达把自己彻底“埋”在了数据里，白天在实验室分析，晚上回到住处继续做。 “我的那台笔记本电脑烧坏好几个主板了，但我到现在也没舍得扔。 ”他回忆道。
王文达受访者供图
光合作用，是地球上最重要的化学反应之一。有赖于光合生物源源不断地将太阳能转化为化学能，今天人类以及地球上绝大多数的生物才有了存在的基础。中国科学院植物研究所研究员王文达的研究正与此有关。
2019年，王文达所在团队进行的关于海洋硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能的研究相继入选“2019年度中国科学十大进展”“2019年中国十大科技进展新闻”等多项榜单。
凭借在该领域取得的突破，不久前，王文达荣获第一届中国科学院青年五四奖章。
从零开始解析硅藻光合膜蛋白
如果你问起王文达的研究方向，他会打开一份演示文档，在一张张花花绿绿的图片之间不停切换、放大，然后绞尽脑汁地使用各种比喻，力图给你讲清楚其中的每个细节。
其实，王文达的研究方向大家都耳熟能详——光合作用，初中生物课的重点知识，但要完全理解其中的细节并不容易。光合作用研究的核心问题之一是太阳光能的高效捕获、传递和利用，这一过程发生在叶绿体中的一系列光合膜蛋白复合体中，只有对其进行深入、透彻地解析，才能够真正理解光合作用，王文达的研究焦点就在于此。
光合生物在早期进化时形成了两个主要分支，一支被称为“绿系” ，包括水中的绿藻、苔藓和陆地上的高等植物等。另一支则被称为“红系” ，包括红藻、褐藻等，我们常吃的海带和紫菜便属于该类别。其中最具代表性的，是一种分布广泛却不起眼的单细胞浮游藻类——硅藻。
硅藻拥有出色的蓝绿光捕获能力和极强的光适应能力。作为海洋赤潮的主要“肇事者” ，硅藻的生命力顽强。从赤道到两极、从表层海水到百米深海，都能找到它的身影。 “硅藻能够迅速适应浅海和深海之间的光线变化，所以即使在上下起伏、剧烈翻滚的海浪中，它也可以顽强地活下去。 ”王文达说。
硅藻每年吸收的二氧化碳占地球全部生态系统吸收二氧化碳总量的20% ，与陆地上的热带雨林相当。正是由于其出众的表现，王文达与合作者早早就将研究目光锁定在了硅藻身上。但要想揭开硅藻光能利用的秘密，就必须要对它的光合膜蛋白结构进行解析，但这项工作此前没有人完成过。
最初，王文达打算按照国外学者提出的假设进行研究，即硅藻的捕光蛋白结构应与绿色高等植物的基本一致。但当王文达将绿色高等植物的光合膜蛋白结构“套”到硅藻身上时，他发现事实并非如此——“很多地方都不一致，解释不通” 。
于是，王文达只能从零开始解析硅藻光合膜蛋白结构，只是他也没想到，等待他的将是一段艰苦的旅程。
在绝望中寻找希望
解析硅藻捕光蛋白结构，大致有以下几个步骤：首先将蛋白溶液小心翼翼地培养成高质量晶体，随后利用同步辐射光源对晶体进行X射线衍射，再根据得到的衍射图像数据，逐步解析出光合膜蛋白的内部结构。
至关重要也最为困难的，是这最后一步。由于该晶体的一大半是水，经过衍射，蛋白自身的部分原子信号会与水中的氧原子信号产生混淆，使得研究人员无法进行区分，从而极难对其内部结构进行精确解析。
【硅藻|王文达：揭开硅藻光能利用的秘密】要想准确无误地解析出光合膜蛋白的内部结构，就需要在其内部标注一个参照物，使其在X射线衍射下呈现出明显特征，便于区分定位。王文达采用的第一个办法是加入重金属，使其与蛋白的特定位置结合，起到在衍射后标识位置的作用，这是该领域最常采用的一种方法。但这种方法在硅藻光合膜蛋白这里却失灵了：被加入的重金属要么难以与光合膜蛋白的特定位置结合，要么就是结合后的衍射信号十分微弱。