耶魯大學領導的一個化學家團隊已經公佈了一種關鍵酶的“藍圖”，它可能包含了新一代合成太陽能燃料催化劑的設計原則。由耶魯大學的Gary Brudvig和Christopher Gisriel領導的這項研究在一種名為Synechocystis的微生物上使用低溫電子顯微鏡，以獲得光系統II（ Photosystem II）的極端特寫圖片，光系統II是光合作用中使用水作為太陽能燃料的酶，使研究人員能夠觀察到該酶如何工作。

這項研究發表在《美國國家科學院院刊》上，由來自加州大學河濱分校、波士頓學院和紐約市立大學的研究人員共同撰寫。

光合作用是一種機制，指的是植物和某些微生物（如Synechocystis）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有機物，同時釋放氧氣的過程。光合作用的核心是光系統II，這是一種氧化水分子的酶，它拿走水分子的電子作為燃料使用。

科學家們長期以來一直在尋求模仿這一過程的方法，以創造更有效的太陽能燃料催化劑，為此研究了來自光合細胞的光系統II。但是，如果沒有對光系統II在合子細胞中的分子結構的清晰描述，科學家要理解他們的實驗結果一直是個挑戰。

以前由耶魯大學領導的工作創造了光合細胞II在“不成熟”階段的快照，當時該酶還沒有能力進行水的氧化。這項工作使研究人員能夠更好地了解該酶是如何構建的。

在新研究中，研究人員能夠看到Synechocystis中的酶以其成熟、活躍的形式存在，具有水氧化過程中的所有蛋白質亞單位和活性。通過耶魯大學西校區的低溫電子顯微鏡技術進行的觀察，提供了一個最接近、最詳細的光系統II在Synechocystis中的外觀。

文理學院化學系Benjamin Silliman 教授和耶魯大學西校區能源科學研究所所長Brudvig說：“在這種分辨率下，我們可以看到氨基酸、小分子輔助因子和水分子，它們被用於水的氧化機制中。”Brudvig是該研究的通訊作者。

“在某些情況下，我們甚至可以看到單個質子的貢獻，”Brudvig補充說。

研究人員表示，有了這個新的、近距離觀察光系統II的方法，他們將能夠對該酶進行微小的改變–比如突變單個氨基酸–以觀察這些改變如何影響該酶的功能。

該研究的第一作者、化學博士後Gisriel說：“主要目標是了解水氧化的化學特性。我們在這裡所做的提供了一個平台，我們可以從中解構該系統，為合成太陽能燃料催化劑提供設計原則。”