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文章信息
Development and application of cryogenic optical microscopy in photosynthesis research
张先骏
物理学报,2024,73(22): 229201
doi: 10.7498/aps.73.20241072
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文章导读
能源与环境的研究一直是热点课题之一,太阳光为地球上几乎所有的生命提供能量。然而,太阳能的转化效率却很低,绝大部分到达地球表面的太阳能会以热量的形式被耗散掉。如何在广域的太阳光谱中尽可能的获取更多能量是许多研究者一直关注的。光合生物体内建立了一套高效的吸光色素系统,可直接捕获太阳光,这是利用太阳能的第一步。光能启动光合作用反应,该反应几乎可以100%的光电转化效率将能量充分利用。高效的光合作用归因于类囊体膜中色素蛋白复合体所建立的强大捕光网络与灵活的能量转移机制,对色素蛋白复合体结构与功能的解析是光合作用研究中的重要方向。
光学显微镜有着非常悠久的历史。发展至今,不仅可以实现超分辨率成像,还可通过光与物质的相互作用来探测微观空间中的物理化学现象。冷冻光学显微镜是冷冻电子显微镜的重要互补技术,至今已有约35年的历史。该方法通过细化光谱特征可精确识别多种色素蛋白复合体,低温成像不仅有效地抑制了单个复合体或细胞样品的光损伤,还限制了复合体中色素间的uphill能量转移,从而提高荧光量子收率。冷冻光学显微镜的发展最初起源于对单个分子的探测需求,现在不仅成为表征单个蛋白质的结构动态与捕光功能的有力工具,还为可视化和定量复杂的光合成分在细胞体内的空间分布提供了可能性。因此,该技术的应用极大地发展了在微观尺度下分析色素蛋白结构与功能的研究领域,这对于光合作用研究体系的推进具有重大意义。
本文从单分子光谱与单细胞光谱技术两方面总结了冷冻光谱显微镜技术在自然光合作用中的主要应用与取得的成果,并展望了该技术将来的发展方向。冷冻光学显微技术作为成像学与光谱学的交叉领域中最前沿的方向之一,但在国内尚未开展,该方向值得被重视和关注。
图1 冷冻光学 (光谱) 显微镜技术的概括图。该技术可在低温下执行单分子, 单细胞光谱探测。目前已被广泛地用以学习色素蛋白的结构与功能、光捕获机制和光系统组装机制等课题。
作者简介
张先骏
博士后研究员。
2024年3月于日本东北大学化学系获理学博士学位;2024年4月—6月,日本文部省JSPS博士后研究员;2024年7月至今,美国麻省理工学院化学系博士后研究员。曾获日本学术振兴会JSPS特别研究员基金(2023年),日本JST次世代挑战者项目研究基金(2022年),中国国家优秀自费留学生奖(2022年),日本多元物质科学鼓励奖(2021年)以及日本生物物理学会发表奖(2021年)等奖项。目前主要从事于开发与使用新的物理化学方法探究自然光合作用中的能量调控与光捕获机制等基础科学问题;近年来在J. Phys. Chem. B., PNAS, J. PhotoChem. PhotoBiol. C.等国际专业期刊上发表多篇科技论文。
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