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光合作用，是地球上最重要的化學反應之一。有賴于光合生物源源不斷地將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，今天人類以及地球上絕大多數(shù)的生物才有了存在的基礎(chǔ)。中國科學院植物研究所研究員王文達的研究正與此有關(guān)。

【資料圖】

2019年，王文達所在團隊進行的關(guān)于海洋硅藻光合膜蛋白超分子結(jié)構(gòu)和功能的研究相繼入選“2019年度中國科學十大進展”“2019年中國十大科技進展新聞”等多項榜單。

憑借在該領(lǐng)域取得的突破，不久前，王文達榮獲第一屆中國科學院青年五四獎?wù)隆?/p>

從零開始解析硅藻光合膜蛋白

如果你問起王文達的研究方向，他會打開一份演示文檔，在一張張花花綠綠的圖片之間不停切換、放大，然后絞盡腦汁地使用各種比喻，力圖給你講清楚其中的每個細節(jié)。

其實，王文達的研究方向大家都耳熟能詳——光合作用，初中生物課的重點知識，但要完全理解其中的細節(jié)并不容易。光合作用研究的核心問題之一是太陽光能的高效捕獲、傳遞和利用，這一過程發(fā)生在葉綠體中的一系列光合膜蛋白復合體中，只有對其進行深入、透徹地解析，才能夠真正理解光合作用，王文達的研究焦點就在于此。

光合生物在早期進化時形成了兩個主要分支，一支被稱為“綠系”，包括水中的綠藻、苔蘚和陸地上的高等植物等。另一支則被稱為“紅系”，包括紅藻、褐藻等，我們常吃的海帶和紫菜便屬于該類別。其中最具代表性的，是一種分布廣泛卻不起眼的單細胞浮游藻類——硅藻。

硅藻擁有出色的藍綠光捕獲能力和極強的光適應能力。作為海洋赤潮的主要“肇事者”，硅藻的生命力頑強。從赤道到兩極、從表層海水到百米深海，都能找到它的身影。“硅藻能夠迅速適應淺海和深海之間的光線變化，所以即使在上下起伏、劇烈翻滾的海浪中，它也可以頑強地活下去。”王文達說。

硅藻每年吸收的二氧化碳占地球全部生態(tài)系統(tǒng)吸收二氧化碳總量的20%，與陸地上的熱帶雨林相當。正是由于其出眾的表現(xiàn)，王文達與合作者早早就將研究目光鎖定在了硅藻身上。但要想揭開硅藻光能利用的秘密，就必須要對它的光合膜蛋白結(jié)構(gòu)進行解析，但這項工作此前沒有人完成過。

最初，王文達打算按照國外學者提出的假設(shè)進行研究，即硅藻的捕光蛋白結(jié)構(gòu)應與綠色高等植物的基本一致。但當王文達將綠色高等植物的光合膜蛋白結(jié)構(gòu)“套”到硅藻身上時，他發(fā)現(xiàn)事實并非如此——“很多地方都不一致，解釋不通”。

于是，王文達只能從零開始解析硅藻光合膜蛋白結(jié)構(gòu)，只是他也沒想到，等待他的將是一段艱苦的旅程。

在絕望中尋找希望

解析硅藻捕光蛋白結(jié)構(gòu)，大致有以下幾個步驟：首先將蛋白溶液小心翼翼地培養(yǎng)成高質(zhì)量晶體，隨后利用同步輻射光源對晶體進行X射線衍射，再根據(jù)得到的衍射圖像數(shù)據(jù)，逐步解析出光合膜蛋白的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

至關(guān)重要也最為困難的，是這最后一步。由于該晶體的一大半是水，經(jīng)過衍射，蛋白自身的部分原子信號會與水中的氧原子信號產(chǎn)生混淆，使得研究人員無法進行區(qū)分，從而極難對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行精確解析。

要想準確無誤地解析出光合膜蛋白的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就需要在其內(nèi)部標注一個參照物，使其在X射線衍射下呈現(xiàn)出明顯特征，便于區(qū)分定位。王文達采用的第一個辦法是加入重金屬，使其與蛋白的特定位置結(jié)合，起到在衍射后標識位置的作用，這是該領(lǐng)域最常采用的一種方法。但這種方法在硅藻光合膜蛋白這里卻失靈了：被加入的重金屬要么難以與光合膜蛋白的特定位置結(jié)合，要么就是結(jié)合后的衍射信號十分微弱。

最常用的辦法行不通，王文達只好嘗試另一種分子生物學方法。他打算將硅藻光合膜蛋白中的部分硫原子替換成原子序數(shù)稍大的硒原子，使其衍射后更易被區(qū)分。“結(jié)果，我們研究的蛋白因為結(jié)合了大量色素，沒有辦法進行相關(guān)改造。”他說。

此時，距離王文達開始研究硅藻已過去了近六年。兩種最常用的解析辦法都行不通，除了已獲得的一個形狀規(guī)則、漂亮的晶體，王文達一無所獲，他開始感到絕望。

但既然選擇了這條路，他不想放棄，還想再嘗試一個最不可能成功的方法——單波長異常衍射。這種方法不需要借助外來元素，只需依靠蛋白自身的硫元素等。王文達打了個比方：“如果說以前的重金屬標注辦法是在一袋大米里摸一個鉛球，那這種辦法就像在一袋大米里摸幾個玉米粒。”但他還是決定試一試。

要想盡可能突出硫元素的信號，降低碳、氮、氧等元素信號的干擾，就需要進一步提高衍射的波長，但波長增加、能量降低后，所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量也會顯著下降。果不其然，前幾次的實驗都一無所獲。

此時，王文達的同行提出，可以到硬件設(shè)施條件更好的瑞士同步輻射光源碰碰運氣。王文達沒抱太大希望，選了20多個晶體送過去。得到的數(shù)據(jù)仍是大同小異，同行也不無遺憾地說：“你這是世界性的難題。”

但王文達不甘心，更不想放棄。

不知疲倦的“耐力型選手”

那段時間，王文達把自己徹底“埋”在了數(shù)據(jù)里，白天在實驗室分析，晚上回到住處繼續(xù)做。“我的那臺筆記本電腦燒壞好幾個主板了，但我到現(xiàn)在也沒舍得扔。”他回憶道。

轉(zhuǎn)機往往在山窮水盡之時出現(xiàn)。通過對此前得到的20套數(shù)據(jù)進行反復對比、降噪，王文達終于發(fā)現(xiàn)了線索。“有一天，我突然就在程序里看到了一點蛛絲馬跡，就像在一團亂麻中找到了一個線頭。”他說。

王文達就像落水的人抓住了岸邊的草，緊緊抓著這來之不易的線索，順藤摸瓜研究了下去。幸運的是，此前他在制作晶體時加入的氯化鈣等鹽類也在這時發(fā)揮了作用。

“我發(fā)現(xiàn)鈣原子竟然和蛋白上的某處位置產(chǎn)生了結(jié)合！”王文達回憶道，他沒放過任何一個細節(jié)、步步緊跟，硅藻第一個光合膜蛋白“巖藻黃素葉綠絲a/c捕光蛋白”的結(jié)構(gòu)終于在他眼中逐漸清晰了起來。

2019年2月，該成果發(fā)表在學術(shù)期刊《科學》上。

王文達完成這項工作時，正在日本岡山大學任訪問學者。他在日本一共待了一年半，生活幾乎全部圍著實驗室轉(zhuǎn)，曾連續(xù)兩天不眠不休收集數(shù)據(jù)。

“京都、富士山這些景點，我一個都沒去過。”原本在日本的訪問期限是3年，但沒等到訪問期滿，工作一有突破，王文達就迫不及待地提前回國了，這個成果他等得太久了。

王文達2006年到中國科學院植物研究所讀博，盯上硅藻是在2011年，此時基本已臨近畢業(yè)。他博士期間的主要研究對象是綠藻，與硅藻并沒有直接聯(lián)系，但在此期間他進行了大量的科研方法訓練。2013年博士畢業(yè)留在中國科學院植物研究所工作后，他決定繼續(xù)專注于硅藻光合作用的研究。但他沒想到，自己無意中選了一條最難走的路——在同齡人成果層出不窮的時候，他卻在硅藻世界里“暈頭轉(zhuǎn)向”。

王文達稱自己為“耐力型選手”，工作之余他最喜歡的運動是踢足球，在場上喜歡踢的位置是后腰——“跑動范圍大，特別考驗耐力”。

在他看來，做科研同樣需要耐力。“我不覺得自己有多么高的科研天賦，甚至在剛開始時連熱愛都談不上。很多事情都是要先堅持下來，有了正反饋，才能說熱不熱愛。”他說。

如今，研究硅藻強大的光適應能力是王文達的工作重點。研究雖已小有突破，但他仍不敢懈怠。

王文達喜歡用“幸運”來總結(jié)自己的經(jīng)歷，即使他的經(jīng)歷比大多數(shù)人的都要艱辛，但誰都知道，命運總是更愿垂青有準備之人。

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