◎實習記者 都 芃
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。中國科學院植物研究所研究員王文達的研究正與此有關。
【資料圖】
2019年，王文達所在團隊進行的關于海洋硅藻光合膜蛋白超分子結構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章。
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構進行解析，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進行研究，即硅藻的捕光蛋白結構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構“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構，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構，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部結構。
至關重要也最為困難的，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生混淆，使得研究人員無法進行區(qū)分，從而極難對其內部結構進行精確解析。
要想準確無誤地解析出光合膜蛋白的內部結構，就需要在其內部標注一個參照物，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合，起到在衍射后標識位置的作用，這是該領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合，要么就是結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。“結果，我們研究的蛋白因為結合了大量色素，沒有辦法進行相關改造。”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生了結合！”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”的結構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，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”來總結自己的經歷，即使他的經歷比大多數(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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