耶魯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個化學(xué)家團(tuán)隊已經(jīng)公布了一種關(guān)鍵酶的“藍(lán)圖”，它可能包含了新一代合成太陽能燃料催化劑的設(shè)計原則。由耶魯大學(xué)的Gary Brudvig和Christopher Gisriel領(lǐng)導(dǎo)的這項研究在一種名為Synechocystis的微生物上使用低溫電子顯微鏡，以獲得光系統(tǒng)II（ Photosystem II）的極端特寫圖片，光系統(tǒng)II是光合作用中使用水作為太陽能燃料的酶，使研究人員能夠觀察到該酶如何工作。

這項研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，由來自加州大學(xué)河濱分校、波士頓學(xué)院和紐約市立大學(xué)的研究人員共同撰寫。

光合作用是一種機(jī)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機(jī)物，同時釋放氧氣的過程。光合作用的核心是光系統(tǒng)II，這是一種氧化水分子的酶，它拿走水分子的電子作為燃料使用。

科學(xué)家們長期以來一直在尋求模仿這一過程的方法，以創(chuàng)造更有效的太陽能燃料催化劑，為此研究了來自光合細(xì)胞的光系統(tǒng)II。但是，如果沒有對光系統(tǒng)II在合子細(xì)胞中的分子結(jié)構(gòu)的清晰描述，科學(xué)家要理解他們的實驗結(jié)果一直是個挑戰(zhàn)。

以前由耶魯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的工作創(chuàng)造了光合細(xì)胞II在 “不成熟”階段的快照，當(dāng)時該酶還沒有能力進(jìn)行水的氧化。這項工作使研究人員能夠更好地了解該酶是如何構(gòu)建的。

在新研究中，研究人員能夠看到Synechocystis中的酶以其成熟、活躍的形式存在，具有水氧化過程中的所有蛋白質(zhì)亞單位和活性。通過耶魯大學(xué)西校區(qū)的低溫電子顯微鏡技術(shù)進(jìn)行的觀察，提供了一個最接近、最詳細(xì)的光系統(tǒng)II在Synechocystis中的外觀。

文理學(xué)院化學(xué)系 Benjamin Silliman 教授和耶魯大學(xué)西校區(qū)能源科學(xué)研究所所長Brudvig說：“在這種分辨率下，我們可以看到氨基酸、小分子輔助因子和水分子，它們被用于水的氧化機(jī)制中。”Brudvig是該研究的通訊作者。

“在某些情況下，我們甚至可以看到單個質(zhì)子的貢獻(xiàn)，”Brudvig補(bǔ)充說。

研究人員表示，有了這個新的、近距離觀察光系統(tǒng)II的方法，他們將能夠?qū)υ撁高M(jìn)行微小的改變--比如突變單個氨基酸--以觀察這些改變?nèi)绾斡绊懺撁傅墓δ堋?br />
該研究的第一作者、化學(xué)博士后Gisriel說：“主要目標(biāo)是了解水氧化的化學(xué)特性。我們在這里所做的提供了一個平臺，我們可以從中解構(gòu)該系統(tǒng)，為合成太陽能燃料催化劑提供設(shè)計原則。”