科学家公布关键酶的“蓝图” 或包含新合成太阳能燃料催化剂的设计原则

耶鲁大学领导的一个化学家团队已经公布了一种关键酶的“蓝图”，它可能包含了新一代合成太阳能燃料催化剂的设计原则。由耶鲁大学的Gary Brudvig和Christopher Gisriel领导的这项研究在一种名为Synechocystis的微生物上使用低温电子显微镜，以获得光系统II（ Photosystem II）的极端特写图片，光系统II是光合作用中使用水作为太阳能燃料的酶，使研究人员能够观察到该酶如何工作。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，由来自加州大学河滨分校、波士顿学院和纽约市立大学的研究人员共同撰写。

光合作用是一种机制，指的是植物和某些微生物（如Synechocystis）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。光合作用的核心是光系统II，这是一种氧化水分子的酶，它拿走水分子的电子作为燃料使用。

科学家们长期以来一直在寻求模仿这一过程的方法，以创造更有效的太阳能燃料催化剂，为此研究了来自光合细胞的光系统II。但是，如果没有对光系统II在合子细胞中的分子结构的清晰描述，科学家要理解他们的实验结果一直是个挑战。

以前由耶鲁大学领导的工作创造了光合细胞II在 “不成熟”阶段的快照，当时该酶还没有能力进行水的氧化。这项工作使研究人员能够更好地了解该酶是如何构建的。

在新研究中，研究人员能够看到Synechocystis中的酶以其成熟、活跃的形式存在，具有水氧化过程中的所有蛋白质亚单位和活性。通过耶鲁大学西校区的低温电子显微镜技术进行的观察，提供了一个最接近、最详细的光系统II在Synechocystis中的外观。

文理学院化学系 Benjamin Silliman 教授和耶鲁大学西校区能源科学研究所所长Brudvig说：“在这种分辨率下，我们可以看到氨基酸、小分子辅助因子和水分子，它们被用于水的氧化机制中。”Brudvig是该研究的通讯作者。

“在某些情况下，我们甚至可以看到单个质子的贡献，”Brudvig补充说。

研究人员表示，有了这个新的、近距离观察光系统II的方法，他们将能够对该酶进行微小的改变–比如突变单个氨基酸–以观察这些改变如何影响该酶的功能。

该研究的第一作者、化学博士后Gisriel说：“主要目标是了解水氧化的化学特性。我们在这里所做的提供了一个平台，我们可以从中解构该系统，为合成太阳能燃料催化剂提供设计原则。”