香港科技大學化學系教授破解光合作用機理 助研發再生能源

香港科技大學(科大)化學系黃旭輝助理教授、嚴以京教授及其研究團隊,解開了光合作用機理的難題,有望應用於人工光合作用系統,提高光合作用機器的功能和效率,更有效利用陽光發展再生能源。研究成果近日刊登於國際權威科學雜誌《自然通訊》。

在光合作用中,陽光將植物水份中的電子分離,從而產生氧氣。這個化學反應在光合作用系统II蛋白的反應中心發生,是產生氧氣的第一步,亦是大氣層內的主要氧氣來源。光系統II蛋白內有大量包括葉綠素在內的色素分子。在其反應中心,色素分子對稱分佈在左、右兩條鏈上,然而,只有其中一條鏈(活性鏈)會有電子流動,即是只有一半的色素分子會參與產生氧氣的過程。這種功能上的不對稱,是科學家們一直未能解開的疑團,亦是了解光合作用機理的一個難題。

科大研究團隊運用分子動力學、量子力學等化學理論計算工具,揭示了活性鏈發揮傳導作用的原因。研究發現,動態及不對稱的蛋白質環境,會使活性鏈上的一個特別的葉綠素分子(CLA606)在接受到光能時更容易被激發,從而誘導隨後的電子傳遞過程。研究並發現,數個氨基酸分子對於活性鏈的激發起了重要作用。因此,理論上透過改變這些氨基酸分子,便可改變光系統II活性鏈和非活性鏈的能力。

黃旭輝教授表示,單是X光結構未能解釋為何電子傾向在活性鏈一方流動,因此考慮動態的蛋白質環境非常重要。研究團隊運用了包括科大理學院計算集群在內的高效能計算機,發現活性鏈與非活性鏈的蛋白質環境的不同,從而確定了葉綠素分子CLA606的特性。

該研究結果有助科學家進一步了解光合作用的機理,對人工光合作用的設計和效能,以及再生能源的發展有重要啟示,相信亦可廣泛應用於物理化學、分子生物學及材料科學的範疇。

黃旭輝教授畢業於中國科學技術大學,其後在哥倫比亞大學取得博士學位,及於史丹福大學擔任博士後研究員,2010年加入科大。黃教授曾先後獲「美國化學學會OpenEye優秀青年教師獎」、研資局「傑出青年學者獎」及科大理學院「傑出研究獎」,表揚他在研究方面的傑出成就。

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 黃旭輝教授(左)及博士後研究員張璐運用由科大資訊科技服務中心管理的高效能計算機,破解了光合作用的機理。
黃旭輝教授(左)及博士後研究員張璐運用由科大資訊科技服務中心管理的高效能計算機,破解了光合作用的機理。

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