【锚定2035·院士谈科学报国】光合膜蛋白探索：小分子铸就大未来

编者按：习近平总书记指出，“科学普及是实现创新发展的重要基础性工作”。为助力高水平科技自立自强，中国科协科普部联合光明网推出“院士高端科普”栏目，邀请各领域院士就我国当下热点科技问题给予权威解答(dá)，服(fú)务(wu)引(yǐn)导(dǎo)更(gèng)多(duō)科(kē)技(jì)工(gōng)作(zuò)者(zhě)提(tí)升(shēng)科(kē)研(yán)科(kē)普(pǔ)能(néng)力(lì)，促(cù)进(jìn)全民科学素质提升，为科技强国建设贡献科普力量。#千万IP创科普

在浩瀚的科学宇宙中，每一项细微的发现都可能引领一场技术革命，正如光合膜蛋白的研究，在看似微不足道的分子层面，却蕴藏着推动农业革新、能源转换与环境保护的巨大潜力。研究光合作用机理及其人工模拟，对解决人类社会可持续发展所面临的能源、环境和粮食等问题都有重大(dà)战(zhàn)略(è)意(yì)义(yì)。

光(guāng)合(hé)膜(mó)蛋(dàn)白(bái)，这(zhè)些(xiē)神(shén)奇(qí)的(de)分(fēn)子(zi)，镶(xiāng)嵌(qiàn)在(zài)叶(yè)绿(lǜ)体(tǐ)的(de)类(lèi)囊(náng)体(tǐ)膜(mó)上(shàng)，如(rú)同(tóng)自(zì)然(rán)界(jiè)的(de)魔(mó)术(shù)师(shī)，将(jiāng)太(tài)阳(yáng)能(néng)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)生物能，滋养着地球上的万(wàn)物(wù)生(shēng)灵(líng)，维(wéi)系(xì)着(zhe)地(de)球(qiú)上(shàng)几(jǐ)乎(hu)所(suǒ)有(yǒu)生(shēng)命(mìng)的(de)存(cún)续(xù)。然(rán)而(ér)，这(zhè)一(yī)光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)过(guò)程(chéng)的(de)复(fù)杂(zá)性(xìng)与(yǔ)高(gāo)效(xiào)性(xìng)，长久以来都是科学家们试图解开的谜团。

光合膜蛋白创新团队的历史可以追溯到半个多世纪之前，著名植物生理学泰斗——汤佩松先生开启了我国植物光合作用和呼吸作用的研究。在汤先生的领导下，匡廷云开始踏入光合作用科研的征程。自踏入这一领域起，匡廷云便将目光聚焦于光合膜蛋白——这一光合作用中的核心组件，她深知，解开其结构与功能的秘密，将是打开光合作用高效转化之门的钥匙。

1986年秋，在汤先(xiān)生(shēng)书(shū)房(fáng)，匡(kuāng)廷云同结构生物物理学家梁栋材、常文瑞召开了中国光合膜蛋白“世纪之约”决定由植物所从生化入手、生物物理所(suǒ)从(cóng)结(jié)构(gòu)入(rù)手(shǒu)，通(tōng)过(guò)学(xué)科(kē)交(jiāo)叉(chā)，共(gòng)同(tóng)开(kāi)展(zhǎn)光(guāng)合(hé)膜(mó)蛋(dàn)白(bái)结(jié)构(gòu)与(yǔ)功(gōng)能(néng)的(de)研(yán)究(jiū)。研(yán)究(jiū)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，匡(kuāng)廷(tíng)云(yún)团队面临了无数挑战。光合膜蛋白的微小尺寸与高度动态性，使得其结构与功能的解析异常困难。为了获取更精准的数据，匡廷云常常亲自深入实验一线，与团队成员一起熬夜分析数据，反复验证实验结果。这一研究，就是5年，但项目仍迟迟没有(yǒu)突(tū)破(pò)。

1997年(nián)，我国制定了国家重点基础研究发展计划即“973”计划。匡廷云牵头的“光合作用高效光能转化机理及其在农业中的应用”项目，从200多个申报项目中脱颖而出，成为首批10个项目之一，匡廷云则是首席科学家中(zhōng)唯(wéi)一(yī)的(de)女(nǚ)性(xìng)。历(lì)经(jīng)几(jǐ)年(nián)，光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)973项(xiàng)目(mù)终(zhōng)于(yú)取(qǔ)得(de)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò)，首(shǒu)次(cì)在(zài)原(yuán)子(zi)水(shuǐ)平(píng)上(shàng)解(jiě)析(xī)菠(bō)菜(cài)主要(yào)捕(bǔ)光(guāng)复(fù)合(hé)物(wù)晶(jīng)体(tǐ)结(jié)构(gòu)。这(zhè)也(yě)是(shì)国(guó)际(jì)上(shàng)第(dì)一次在原子水平上解析的高等植物光(guāng)合(hé)膜(mó)蛋(dàn)白(bái)色(sè)素(sù)蛋(dàn)白(bái)复(fù)合(hé)体(tǐ)，国(guó)际(jì)同(tóng)行(xíng)们(men)评(píng)价(jià)为(wèi)“国(guó)际(jì)光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)研(yán)究领域的重大突破”。

光合作用的效率提升，直接关系到作物的产量与品质，对于保障国家粮食安全、促进农业可持续发展具(jù)有(yǒu)重(zhòng)要意义。匡廷云团队的研究成果，不仅深化了我们对光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)机(jī)制(zhì)的(de)理(lǐ)解(jiě)，更(gèng)为(wèi)作(zuò)物(wù)育(yù)种(zhǒng)、农(nóng)业(yè)节(jié)水(shuǐ)节(jié)肥(féi)等(děng)领(lǐng)(lǐng)域提(tí)供(gōng)了(le)科(kē)学(xué)依(yī)据(jù)。通(tōng)过(guò)优(yōu)化(huà)光(guāng)合(hé)膜(mó)蛋(dàn)白(bái)的(de)结(jié)构(gòu)与(yǔ)功(gōng)能(néng)，提(tí)高(gāo)作(zuò)物(wù)的光能利用效率，团队成功培育出了一系列高产、抗逆的作物新品种，为农业生产带来了显著的效益。

匡廷云团队利用当时有限的科研条件，巧妙地设计了一系列实(shí)验(yàn)，通(tōng)过(guò)生(shēng)物(wù)化(huà)学(xué)、分(fēn)子(zi)生(shēng)物(wù)学(xué)与(yǔ)物(wù)理(lǐ)学(xué)等(děng)多(duō)学(xué)科(kē)的(de)交(jiāo)叉(chā)融(róng)合(hé)，逐(zhú)步(bù)揭(jiē)示(shì)了(le)光(guāng)合(hé)膜(mó)蛋(dàn)白(bái)的(de)复(fù)杂(zá)结(jié)构(gòu)特(tè)征(zhēng)及(jí)其(qí)在(zài)光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)中(zhōng)的(de)具体作用机制。这一过程中，她不仅展现了卓越的科研才能，更体现了跨学科合作的智慧与魅力。

如(rú)今，匡廷云虽已步入职业生涯的后期，但她对科研的热爱与追求从未减退(tuì)，依(yī)然(rán)活(huó)跃(yuè)在(zài)科(kē)研(yán)一(yī)线(xiàn)，不(bù)断(duàn)探(tàn)索(suǒ)光(guāng)合(hé)膜(mó)蛋(dàn)白(bái)的(de)新(xīn)奥(ào)秘(mì)，为人类的可持续发展贡献着自己的力量。正如她所说：“小分子铸就大未来，光合膜蛋白的研究虽然微观，但其影响却是深远的。我愿用一生的时间，去追寻那束照亮未来的光”。在她的带领下，光合膜蛋白的研(yán)究(jiū)将(jiāng)继(jì)续(xù)向(xiàng)前(qián)推(tuī)进(jìn)，为(wèi)人(rén)类(lèi)探(tàn)索(suǒ)自(zì)然(rán)、改(gǎi)造(zào)自(zì)然(rán)、造(zào)福(fú)社(shè)会(huì)提(tí)供(gōng)更(gèng)加(jiā)强(qiáng)大(dà)的(de)科(kē)技(jì)支(zhī)撑(chēng)。

（根(gēn)据(jù)中国科学院院士、欧亚科学院院士匡廷云在2024年逆境生物学与粮食安全博士后学术交流活动中的报告整理）