能源光合蛋白——阳光照亮未来

　　

　　

　　吴骊珠 中国科学院理化技术研究所研究员

　　回顾：

　　关键词：【光合蛋白】

　　2011年，研究人员确定了好几种重要蛋白质的晶体结构，而一种叫做光合系统II（PSII）的蛋白质结构引发了大量关注。对光合蛋白的结构研究可能是打开强有力的清洁能源之门的钥匙。植物用该蛋白将水裂解为氢气和氧原子。当我们洞悉了其中的奥秘，或许可以制造人工合成装置，用取之不尽的光能，将水裂解为氢气和氧原子。

　　目前，科学家已从叶绿体的片层结构中分离出两个光系统，它们都是蛋白复合物。光合系统-I（PSⅠ）颗粒较小，直径为11纳米；PSⅡ（光合系统-II）颗粒较大，直径为17.5纳米。PSⅡ的蛋白酶可利用电子还原质子放出氢气。以往PSⅡ结构的已报道分辨率为3.8－2.9埃（1埃=0.1纳米），不足以揭示水分离反应中心的详细结构。因此，2011年4月，日本大阪市立大学科研人员在《自然》杂志发表论文，报道了分辨率为1.9埃的PSⅡ结构，立即引起了科学家们的关注。

　　解读：

　　面对化石能源日益稀缺的现状，对光合作用的基础研究成为科学家们关注的热点。

　　利用太阳能分解水来规模制氢是化学研究的一个热点，中国科学院理化技术研究所研究员吴骊珠所在团队在这方面进行了比较深入的研究。她长期致力于光化学转换的研究，在人工模拟光合作用、超分子体系中的光诱导电子转移、能量传递和化学转换，高效、高选择性、高附加值的光化学反应、太阳能的光化学转换等方面取得了一些有意义的研究成果。

　　氢气作为一种可替代性的未来清洁能源，具有燃烧性能好、利用形式多、安全性高等诸多优点。人类已经能够通过制氢进行能源利用，比如可以通过电解水的方法制氢，但这个方法消耗大量的电能，经济上不太划算。高等植物叶绿体是进行光合作用的细胞器，叶绿体有2500到3000个蛋白，了解这些催化蛋白酶的结构，将有助于科学家进行人工的模拟，从而找到氢气能源利用的可行途径。

　　吴骊珠通过研究叶绿体光合作用中心的工作原理，将氢化酶（即促使水里的氢放出来的催化剂）的活性反应中心运用到实验室里的人工反应器，实现了从水中制备氢气的反应，并将超分子体系运用于催化剂的负载以及光能的传导，有效提高了催化剂的稳定性和反应的效率，为反应的实际应用打下基础。

　　吴骊珠说：“这项研究的应用非常广泛，可以用作氢燃料电池，实现对太阳能的利用；可以利用氢气的高还原活性，高效生产许多有机物产品，实现太阳能到化学能的转化。”

　　展望：

　　未来的化学反应会变成什么样？吴骊珠说：“如果大规模制氢成为现实，氢燃烧变成水，没有污染，化工厂竖起来的烟囱中将不再冒出有污染的废气，氢气能够被输运到加油站里作为汽车能源，对碳排放的治理也将更容易。”

　　植物的光合作用是利用太阳能的典范，但从机理研究走到现实应用并不简单，要广泛制氢还需要一段时间。2012年，对光合作用的基础研究还将取得怎样的突破？

　　吴骊珠说，他们目前正在研究如何利用太阳能分解水产生氢气和氧，并与空气中的二氧化碳反应，生产碳水化合物。“设想一下，未来我们不但能将让人头疼的温室气体——二氧化碳消灭掉，还能将它转化成有用的葡萄糖，真正实现‘变废为宝’。我希望自己能做这样‘有用’的化学。”

　　（责任编辑：段丹峰）