封面新聞記者 邊雪
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Jenny Zhang｜雪梨大學生物無機化學博士，曾在耶路撒冷希伯來大學研發開發「氧化還原活性鉑類抗癌劑」，並研究了它們在腫瘤模型中的生物分布/代謝，隨後成為劍橋大學瑪麗居里國際研究員，探索如何利用生物催化劑生產太陽能燃料。JennyZhang致力於開發將氧化還原酶（例如水氧化酶光系統 II）重新連接到稱為「半人工光合作用」的新興領域中的電極/半導體/其他蛋白質的方法，並獲得了「RSC Felix Franks「生物技術獎章、2022年聯合國教科文組織的科學女性可持續發展獎。
JennyZhang博士的簡介。
光合作用，是自然界諸多植物維持生存最重要的過程，也是一個令人類望塵莫及的能力，簡單的「一呼一吸」，對人類而言卻難以真正摸透其中的奧秘。
幾個世紀以來，科學家們從沒有停止過研究植物的光合作用。近日，由劍橋大學領導的國際團隊，在以超快時間尺度觀察光合作用過程時，成功「入侵」了光合作用的最早期階段，解開了大自然這台偉大機器的新秘密。
該團隊發表在《自然》雜誌上的「光合作用在皮秒時間尺度上重新連接」一文指出，已經確定有可能在光合作用的最佳可能點提取電荷，他們以飛秒（千萬億分之一秒）級的超快時間尺度，在活細胞中研究了光合作用的過程，跟蹤活細胞的能量流動，並發現了從這種過程中提取能量的新方法——光系統II和I（PSII, PSI）是驅動光合作用光反應的反應中心複合物；PSII執行光碟機動水氧化和PSI進一步光能量收集電子。
該團隊發表在《自然》雜誌上的文章《光合作用在皮秒時間尺度上重新連接》。
雖然該研究現在還處於早期階段，但研究結果為生物技術和半人工光合作用的研究和重新布線開闢了新的途徑，「發現這意味著從實驗中收集的大量電子，可以用於電網和部分領域的電池；它還可以促進生物燃料的開發，或將徹底改變可持續燃料並應對氣候變化。」 4月7日，封面新聞記者專訪了該研發團隊成員之一劍橋大學瑪麗居里國際研究員Jenny Zhang博士，進一步揭秘如何通過研究植物的光合作用，利用生物催化劑生產清潔無害的太陽能燃料。
可「悄悄」移動的電子
人類吃的食物，呼吸的空氣都離不開植物——也許我們也可以進一步利用它們的電子。
「光合作用重要過程的關鍵是從水分子中提取電子。這些提取的電子被穿梭到幾個不同的途徑，這樣電子最終就可以併入新的分子，以滿足細胞的不同需求。沒有這個過程，就不會有光合作用和二氧化碳固定，也不會有我們已知現存的生態系統。」Jenny Zhang告訴封面新聞記者，在實驗過程中她們發現，能夠在光合作用過程的早期提取電力，可以藉助光合作用這一途徑使得太陽產生清潔燃料的過程更有效率。
值得注意的是，在實驗中被稱為超快瞬態吸收光譜的技術——可以最簡單地理解為用雷射脈衝點亮樣品並記錄以極短的間隔發生的情況，使觀察電子在整個光合作用過程中移動成為可能的關鍵。劍橋大學卡文迪什實驗室博士Baikie在接受採訪時表示，該技術可以讓團隊實現在不同時間拍照。「這讓我們能夠非常快地觀察樣本的變化——比你的 iPhone 快 100 萬億倍。」
研究人員曾將藍藻、藻類和其他植物與電極連接起來，以創建所謂的生物光電化學電池，利用光合作用過程發電。在早期點（光激發後幾皮秒）直接從活藍藻細胞或孤立的光系統光激發PSI和PSII中提取電子，以及外源電子介質。
光合作用藝術圖。圖片來源：劍橋大學卡文迪許實驗室/托米·百奇
他們假設這些介質在初始光激發後氧化外周葉綠素色素，參與高度離域的電荷轉移狀態。該研究結果挑戰了先前的模型——光激發反應中心與光系統蛋白質支架絕緣，為生物技術和半人工光合作用的研究和重新布線開闢了新的途徑。Baikie 表示，他們驚訝地發現，在該過程的開始階段，有一條以前未知的能量流路徑可以更有效地提取電荷。
「其他人也曾試圖從光合作用過程的早期階段收集電子，但得出的結論是這是不可能的。」Jenny Zhang指出，起初，團隊以為自己在實驗中犯了一個錯誤。 「但我們花了一段時間才證明自己做到了。」
「我們現在已經能夠操縱這種自然的電子流，這樣就可以在一個比較的早期步驟中攔截這些電子, 但令我們意想不到的是，被攔截的電子的能量非常高，可以做許多不同類型的工作，包括形成高能分子，如氫能等燃料和高價值化學物質。」Jenny Zhang告訴封面新聞記者，在將陽光轉化為能量方面，這一突破本質上有望將光合作用效率應用到令人難以置信的領域和水平，而研究中的新發現表明，這也可能對來自植物或藻類的可再生生物燃料產生重大影響。
「生物燃料可以是碳中和的，因為它們在植物生長時吸收二氧化碳，並在燃燒時將其釋放回大氣中，而化石燃料則釋放儲存在地球深處億萬年的碳，從大氣中增加或減少多少碳生物燃料取決於植物的生長方式和燃料的生產方式。」
「種植食物一樣種植能源」
「這是一種全新的生物燃料生產方法。我們正在從最早期和最強大的光合作用點收集電子，並將它們重新路由到那裡，」 Jenny Zhang 博士向新聞記者解釋道。「事實上，從這項研究中獲得的新發現，可以讓作物更耐受強烈的陽光，從而促進作物生長。」
在未來，研究團隊將持續探索這種非常強大的技術，並研究生命系統中的光反應。「我們也將嘗試更多地了解這條新途徑，以便可以更好地控制它的綠色能源轉換。」Jenny Zhang 向記者描繪了一個未來：「通過像如藍藻等植物體的光合作用，可以讓人類『像種植食物一樣種植能源』。」
當被問及該研究領域將面臨怎樣的挑戰時，Jenny Zhang認為作為一個新興的研究領域，並結合了化學和材料工具集來促進/控制光合作用，在這一被稱為「半人工光合作用」的研究領域中存在著巨大的挑戰。「就像在任何一個新領域一樣」
除了更有效地生產能源外，微調光合作用還可以讓植物更好地吸收和儲存二氧化碳，從而幫助應對這一過程中的氣候變化。
隨著時間的推移，光合作用的研究將變得越來越跨學科，而科研人員現在正開始構建系統對此進行研究。Jenny Zhang認為，科學家們有責任共同合作，以找到更好方案來解決全球氣候問題。
「從長遠來看，如果我們能夠從自生、自循環的生物材料中產生可再生能源和燃料，這將是人們可以想像，並實現人類可持續發展最環保的方式之一。但將意味著，作為研究人員，我們還需要促進更多開放的科學交流與協作，以保持高標準的研究水平。」
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