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热浪无碍自然凉
刘振宇以崭新成像技术管窥植物耐热的秘密

2021年8月

精准了解植物的分子结构,能帮助我们研发出耐热的农作物,在日渐暖化的世界维持粮食供应不辍。中大结构生物学家刘振宇使用崭新的单粒子冷冻电子显微镜,简称冷冻电镜,观察生物分子的结构。生物分子即生物体内的分子,如胆固醇和DNA等,功能由其大小和形状决定。有趣的是,分子要绕成三维结构才可发挥功效,故要理解分子功能,就要审视这立体结构。

刘振宇研究的,是名为「Hsp21」的热休克蛋白的形状和功能,相关论文于5月在《自然通讯》刊登。所有进行光合作用的植物都有热休克蛋白,温度上升时,它会发挥效用,帮助植物抵御高温,是草木耐热的关键。

细小的热休克蛋白可看成是分子的保姆,指导分子一举一动。它们有的驱使蛋白摺叠,变成立体,发挥独特功能。教授发现Hsp21能使蛋白在高温下保持稳定,避免错误摺叠。

以日常吃的蛋为例,蛋白在加热下由透明变为白色时,蛋白质就会逐层展开,呈现不同结构。高温下的蛋白质不再是立体,功能亦会消失。失去立体形状的蛋白,无法与其他分子互动,产生作用。

刘振宇在试管中提取并分离出Hsp21,以研究其结构和功能。他以生物研究广为采用的杂草阿拉伯芥(学名Arabidopsis thaliana)为研究对象,发现Hsp21调节一种名为DXPS的植物基质,防止其铺展。

「说实话,这是意外发现。」他坦承。「起初我们没预计找到任何东西。我们不知道会找到什么。」

DXPS对植物生长发育至关重要。在高温下,Hsp21与DXPS结合,保持后者的形状和功能。他总结其他小热休克蛋白很可能以类似方式发挥作用。

刘振宇曾在故纸中发现端倪。以往关于Hsp21的论文表明它帮助植物抵抗高温,但技术所限,前人得出的图像解像度低,极为笼统。

教授不讳言,这是首次有人看到这种蛋白的结构。他初头研究Hsp21时,不知道它如何跟DXPS互动,唯有了解每个分子的结构,才一一拨云见日。最终,他的团队解开了三个分子的结构:Hsp21、DXPS和它们结合时的形态。

他解释:「我们发现,它们在DXPS一个非常有弹性的区域互动,那里只有在升温时才会外露。在较低温度下,Hsp21无法识别这种酶,只有在高温下它才会发现那个地方。」

冷冻电镜的发明者在2017年获得诺贝尔化学奖,但仪器的应用仍是生物学界的处女地。

「我涉足这领域时,技术尚未成熟,」刘振宇回忆:「但我决定尝试新事物。」

过程中,他亲炙诺贝尔奖得主理查•韩德森,得聆教益,韩氏与他更有独特因缘——他是其博士论文老师的师傅。

冷冻电镜采用「直接电子检测器」为镜头,可以拍摄单一电子。这是技术上的重大进步,数码化来临以前,研究员甚至只能用柯达菲林。

「这方法好过时。」教授说。「我们制作的图像清晰得多,是一大突破。」

另一方面,电脑技术的进步令演算法可以处理所有检测讯息,精度不输X射线晶体学,解像度细微至原子水平。

以X光研究分子结构,蛋白必先提纯和结晶,要将多个分子绑在一起,体积够大,才可进行检查。但人为将分子绑在一起,有可能改变结构。冷冻电镜可以检视单一分子近乎原始的状态,精细至原子。

研发耐热农作物要靠植物学家和基因工程师的聪明才智。这位生命科学学院助理教授,未来会研究其他小型热休克蛋白如何发挥作用。

「肯定还有其他分子帮助植物抵御热浪,」他说:「Hsp-21只是当中一种。」

人类身上也有小热休克蛋白。如果它们突变,不能正常运作,或会导致癌症和神经退化疾病,如阿兹海默症和柏金逊症。这是另一个值得探究的题目。

「研究发现或许能用在人类身上。」刘振宇说。「一切仍未知。」

中译/jennylau@cuhkcontents & amyli@cuhkcontents
摄影/Eric Sin
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