Профессор Цзянь-Рен Шен известен своими новаторскими исследованиями по выяснению фундаментального механизма реакции, который управляет фотосинтетическим расщеплением воды, процессом, имеющим фундаментальное значение для понимания того, как кислородные фотосинтезирующие организмы, такие как растения, используют энергию солнечного света, воды и CO2 для выживания.
«Я впервые начал исследования фотосинтетических белков в начале своей докторской диссертации, – говорит Шен. «Наши результаты, опубликованные в 2011 году, были основаны на экспериментах по дифракции рентгеновских лучей на большом высококачественном монокристалле так называемой« фотосистемы II »(ФС II) на японской установке синхротронного излучения SPring-8 в Хариме.
Способность производить крупные монокристаллы ФС II, чрезвычайно большого мембранно-белкового комплекса, имела решающее значение для определения кристаллической структуры этого белкового комплекса с разрешением 1.9 Ангстрем. Эти результаты являются кульминацией 20 лет моей жизни, потраченных на разработку и улучшение процесса производства таких больших кристаллов."
Первоначальное исследование фотосинтеза профессором Шеном было сосредоточено на выяснении воздействия загрязнения воздуха на растения.
Цели этого исследования потребовали выяснения фундаментального механизма, лежащего в основе фотосинтеза, что, в свою очередь, потребовало получения высококачественного кристалла ФС II. «После многих лет исчерпывающих экспериментов и бесчисленных неудач нам, в конце концов, удалось создать большие монокристаллы PS II, напоминающие тофу, с размерами 0.7 х 0.4 х 0.1 мм », – поясняет Шен. «Это был крупный прорыв, который привел к анализу PS II со сверхвысоким разрешением."
Недавние сообщения о кристаллографическом анализе PS II можно проследить до начала 2000-х годов, но результаты дали только «нечеткие» изображения из-за несовершенства образцов. Напротив, результаты 2011 года, полученные Шеном и его коллегами, дали беспрецедентные изображения ядра белка PS II, показывающие существование кубического ядра из четырех атомов марганца, пяти атомов кислорода и атома кальция, который составляет сердце растительной жизни ( Science 2011, 334, 1630).
«Эта кубическая структура Mn4CaO5 действует как катализатор реакции расщепления воды, вызванной солнечным светом», – объясняет Шен. «Эти результаты имеют много важных практических применений, включая возможность синтеза искусственного катализатора для диссоциации воды на кислород и водород для производства электричества в топливных элементах, например."
Действительно, растет интерес к «искусственному фотосинтезу» для производства энергии. Но профессор Шен говорит, что его группа сосредоточится на фундаментальных исследованиях механизма реакции PS II. «Наша следующая цель – прояснить так называемую« промежуточную структуру »PS II», – говорит Шен. "Для этого нам необходимы эксперименты по дифракции рентгеновских лучей с еще более высоким разрешением как на пространственном, так и на временном уровнях.
Мы планируем использовать рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) SACLA в SPring-8 для достижения этой цели. Это позволит нам увидеть движение атомов во время фотосинтеза."