光合作用，是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)之一。有賴于光合生物源源不斷地將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)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(xué)院植物研究所研究員王文達(dá)的研究正與此有關(guān)。

2019年，王文達(dá)所在團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(xué)十大進(jìn)展”“2019年中國十大科技進(jìn)展新聞”等多項(xiàng)榜單。

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

從零開始解析硅藻光合膜蛋白

如果你問起王文達(dá)的研究方向，他會(huì)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(gè)細(xì)節(jié)。

其實(shí)，王文達(dá)的研究方向大家都耳熟能詳——光合作用，初中生物課的重點(diǎn)知識(shí)，但要完全理解其中的細(xì)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(fù)合體中，只有對(duì)其進(jìn)行深入、透徹地解析，才能夠真正理解光合作用，王文達(dá)的研究焦點(diǎn)就在于此。

光合生物在早期進(jìn)化時(shí)形成了兩個(gè)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(xì)胞浮游藻類——硅藻。

硅藻擁有出色的藍(lán)綠光捕獲能力和極強(qiáng)的光適應(yīng)能力。作為海洋赤潮的主要“肇事者”，硅藻的生命力頑強(qiáng)。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(yīng)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(qiáng)地活下去。”王文達(dá)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(dāng)。正是由于其出眾的表現(xiàn)，王文達(dá)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(duì)它的光合膜蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，但這項(xiàng)工作此前沒有人完成過。

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

于是，王文達(dá)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(gè)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(duì)晶體進(jìn)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(hào)會(huì)與水中的氧原子信號(hào)產(chǎn)生混淆，使得研究人員無法進(jìn)行區(qū)分，從而極難對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確解析。

要想準(zhǔn)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(biāo)注一個(gè)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(dá)采用的第一個(gè)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(biāo)識(shí)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(hào)十分微弱。

最常用的辦法行不通，王文達(dá)只好嘗試另一種分子生物學(xué)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?yàn)榻Y(jié)合了大量色素，沒有辦法進(jìn)行相關(guān)改造。”他說。

此時(shí)，距離王文達(dá)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(gè)形狀規(guī)則、漂亮的晶體，王文達(dá)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(gè)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(dá)打了個(gè)比方：“如果說以前的重金屬標(biāo)注辦法是在一袋大米里摸一個(gè)鉛球，那這種辦法就像在一袋大米里摸幾個(gè)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(hào)，降低碳、氮、氧等元素信號(hào)的干擾，就需要進(jìn)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(huì)顯著下降。果不其然，前幾次的實(shí)驗(yàn)都一無所獲。

此時(shí)，王文達(dá)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(yùn)氣。王文達(dá)沒抱太大希望，選了20多個(gè)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(dá)不甘心，更不想放棄。

不知疲倦的“耐力型選手”

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

轉(zhuǎn)機(jī)往往在山窮水盡之時(shí)出現(xiàn)。通過對(duì)此前得到的20套數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)對(duì)比、降噪，王文達(dá)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(diǎn)蛛絲馬跡，就像在一團(tuán)亂麻中找到了一個(gè)線頭。”他說。

王文達(dá)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(yùn)的是，此前他在制作晶體時(shí)加入的氯化鈣等鹽類也在這時(shí)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(dá)回憶道，他沒放過任何一個(gè)細(xì)節(jié)、步步緊跟，硅藻第一個(gè)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

王文達(dá)完成這項(xiàng)工作時(shí)，正在日本岡山大學(xué)任訪問學(xué)者。他在日本一共待了一年半，生活幾乎全部圍著實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，我一個(gè)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(dá)就迫不及待地提前回國了，這個(gè)成果他等得太久了。

王文達(dá)2006年到中國科學(xué)院植物研究所讀博，盯上硅藻是在2011年，此時(shí)基本已臨近畢業(yè)。他博士期間的主要研究對(duì)象是綠藻，與硅藻并沒有直接聯(lián)系，但在此期間他進(jìn)行了大量的科研方法訓(xùn)練。2013年博士畢業(yè)留在中國科學(xué)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(shí)候，他卻在硅藻世界里“暈頭轉(zhuǎn)向”。

王文達(dá)稱自己為“耐力型選手”，工作之余他最喜歡的運(yùn)動(dòng)是踢足球，在場(chǎng)上喜歡踢的位置是后腰——“跑動(dòng)范圍大，特別考驗(yàn)?zāi)土?rdquo;。

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(shí)連熱愛都談不上。很多事情都是要先堅(jiān)持下來，有了正反饋，才能說熱不熱愛。”他說。

如今，研究硅藻強(qiáng)大的光適應(yīng)能力是王文達(dá)的工作重點(diǎn)。研究雖已小有突破，但他仍不敢懈怠。

王文達(dá)喜歡用“幸運(yùn)”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(yùn)總是更愿垂青有準(zhǔn)備之人。