「Spotlight Research」探测光合蛋白光反应的新手段-高速激发光谱显微镜

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「Spotlight Research」探测光合蛋白光反应的新手段-高速激发光谱显微镜

2022/9/15
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Spotlight Research, 光合蛋白光反应, 新手段, 高速激发光谱显微镜
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作者：石油醚

本期热点研究，我们邀请到了本文第一作者来自日本东北大学的张先骏同学为我们分享。

2022年9月6日，美国科学院院刊PNAS在线发表了来自日本东北大学Shen Ye教授团队题为「State Transition Is Quiet Around Pyrenoid and LHCII Phosphorylation Is Not Essential for Thylakoid Deformation in Chlamydomonas 137c」的研究论文 (2022年第37期封面论文)。该文中，他们使用自主研发的高速激发光谱显微镜(High-Speed Excitation Spectral Microscope; HS-ESM)在绿藻细胞生物中发现了一种点位依赖性荧光增强效应。

“State transition is quiet around pyrenoid and LHCII phosphorylation is not essential for thylakoid deformation in Chlamydomonas 137c

XianJun Zhang, Yuki Fujita, Naoya Kaneda, Ryutaro Tokutsu, Shen Ye, Jun Minagawa, and Yutaka Shibata*

PNAS, 2022, ASAP, doi: 10.1073/pnas.2122032119. ”

Q1. 请对“State Transition Is Quiet Around Pyrenoid and LHCII Phosphorylation Is Not Essential for Thylakoid Deformation in Chlamydomonas 137c”作一个简单介绍。

在这篇论文中，我们使用HS-ESM研究光生物衣藻细胞对光的调控机制（名为state transition; ST）。在这种单细胞生物中我们发现了一种细胞内点位依赖的荧光增强效应，并初步解释了该现象。其实，我们在两年前就发现了该效应，但是当时并没有很注在意这个point (Zhang et al., Plant Cell Phys., 2021)。后来我们觉得这个现象很有趣，因此又花了一年多的时间去设计实验来阐明这个现象。得益于我们自主研发的HS-ESM，我们发现这个现象与光生物中点位依赖的ST机制有关。此外，我们还在单细胞水平讨论了类囊体结构调控与ST机制可能存在的独立性。

Q2. 在本次研究中，有什么特别想强调的事情么？

使用荧光发射信号的荧光显微镜已经成为生物技术中必备的手段之一。然而，发射光谱仅提供发射分子的激发态信息，对于分子基态信息的描述是没有的。我特别想介绍我们的高分辨HS-ESM成像技术，它利用荧光激发光谱来成像，可提供蛋白质分子的基态信息。我们组从5年前就开始着手应用于光合作用研究的HS-ESM的构建，2019年发表了关于HS-ESM的第一篇论文（Jana et al., Biophys. J., 2019）。与传统的波长扫描获取方式相比，我们的HS-ESM不需要进行波长扫描，在几分钟内即可实现数千张激发光谱的获取（Zhang et al., Plant Cell Phys., 2021）。HS-ESM中使用到的线激光扫描技术可被推广在今后显微成像的构建思路中。无论是对于发射光谱还是激发光谱的获取，线激光扫描都有着比传统的点扫描更高的效率。另外，我们最近正在将HS-ESM升级为冷冻HS-ESM，它将被用于低温单分子光谱的研究。

Q3. 本次研究主体，有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢？

其实没有很幸苦，算是比较幸运吧，我们顺利地初步解释了观测到的现象。这里，我们观测到一个意料之外的结果，没有任何一项实验是朝着预想的方向发展的，这正是做研究的魅力。我所在的研究室提倡“Happy Science”，因此我从来没有感受到来自于论文的压力。我的博导十分严厉，但在研究上能够给我非常及时的反馈和指导，所以研究对于我来说真的不幸苦。反而，这里有最前沿的研究课题和充足的经费，在这里我几乎能做我想做的任何事情。每天都在学习新知识和有新发现，我从未想象过研究真的如此让人happy，丝毫感觉不到疲惫。有时我甚至担心，如果你太享受一个东西时，当失望来临的时候会是怎样的？

Q4. 将来想继续研究化学的哪个方向呢？

我想挑战物理化学中最高难度的光谱技术，例如 2D电子光谱，2D荧光寿命相关光谱等。另外，我对生物中的量子相干现象很感兴趣。大约15年前，加州大学伯克利分校的著名光谱学家-Graham Fleming 教授使用2D电子光谱在生物系统中首次发现了量子相干传能的现象(Gregory S Engel et al., Nature. 2007) 。这是非常极其令人惊讶的成果。然而，由于检测手段的单一，生物中的量子相干现象至今未被完全证实。开发检测量子相干的新光谱手段可能是我接下来博士后生涯中想要做的一个重要课题。测量和阐明量子相干在生物中的功能以及生理意义是一条漫长而又艰辛的道路。