近日，中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部人工光合成研究中心中科院院士李燦、副研究員王旺銀等提出非生物方式電子引流策略，利用人工電子梭導出微藻光合系統內的電子，有效解除了光合作用的光抑制，并將導出的電子用于有機合成反應中。
自然界的生物質資源是通過自然光合作用合成，即在太陽光作用下合成各種各樣的生物質。太陽能對光合作用是必須的，但是，在自然光合作用過程中，不是光越強越好，植物在光強度超過一定的閾值后（光飽和點），會啟動自我保護機制，不再接收更多的光，這種現象被稱為光抑制。
在光合作用的微觀機制中，光合生物的捕光天線吸收太陽能，用于激發光合反應中心，從而驅動水的氧化反應并釋放出氧氣，同時將產生的電子和質子分別以NADPH和ATP的形式儲存起來（光反應），以用于二氧化碳固定（Calvin cycle）轉化過程（暗反應）。在強光下，由于自然光合系統中光反應與暗反應的不匹配，使得葉綠體內囊體膜上產生大量過剩的還原力，從而誘發光抑制，導致太陽能轉化效率和速率都急劇下降，制約了光合作用太陽能的轉化與生物質的合成，因此，如何解除光抑制是光合作用的一個重要難題。
利用人工電子梭導出微藻光合系統內的電子有效解除了光合作用的光抑制。
本工作中，科研人員通過向蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）的培養液中添加人工電子梭（鐵氰化鉀），顯著增強了蛋白核小球藻在強光下的光系統II光合放氧能力。研究發現，在一定光強范圍內，這種增強效果隨光強的升高而越發顯著；光系統II氧化水產氧的速率可提高2.6倍，光飽和點可提高7.1倍。此外，研究人員還利用脈沖調制葉綠素熒光技術，探測了PSII和PSI本征光量子產率的變化，發現添加人工電子梭可將光合電子及時導出，降低PSII受損傷的程度和幾率，使胞內活性氧物種的水平下降37%，從而有效解除了強光下的光抑制。自然狀態下，NAD(P)H氧化酶可將胞內過剩的還原力通過NAD(P)H介導的方式傳遞給胞外的溶解氧，然而受限于反應動力學及溶解氧濃度，該過程比較緩慢，而通過電子梭（鐵氰化鉀）可將電子導出速率提高47倍。這種人工導出的電子和質子可以將5-羥甲基糠醛和富馬酸等有機小分子還原。
本工作結合了化學的非基因策略與合成生物學方法，是研究和理解光合作用的一種可行的方法；通過揭示微藻在光飽和狀態下光合電子傳輸和分布的特性，為突破光飽和瓶頸以及有效利用人工導出的光合作用電子（還原力）提供了新思路。
以上工作以“Liberating Photoinhibition through Nongenetic Drainage of Electrons from Photosynthesis”為題，發表在Wiley最新推出的綜合類期刊Natural Sciences上。該工作的共同第一作者是大連化物所王旺銀和博士研究生李定頤。以上工作得到國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心、國家自然科學基金等項目的資助。
