化学家发现为什么光合作用的光捕获如此高效

当光合细胞吸收来自太阳的光时，称为光子的能量包在一系列光捕获蛋白质之间跳跃，直到到达光合反应中心。在那里，细胞将能量转化为电子，最终为糖分子的生产提供动力。

这种通过光捕获复合体的能量转移以极高的效率发生：几乎每个吸收的光光子都会产生一个电子，这种现象被称为近单位量子效率。

麻省理工学院化学家的一项新研究为光捕获复合物(也称为天线)的蛋白质如何实现如此高的效率提供了可能的解释。研究人员第一次能够测量光捕获蛋白质之间的能量转移，使他们发现这些蛋白质的无序排列提高了能量转导的效率。

“为了让天线发挥作用，你需要长距离能量转换。我们的主要发现是，光捕获蛋白的无序组织提高了长距离能量转换的效率，”麻省理工学院化学副教授、这项新研究的资深作者 Gabriela Schlau-Cohen 说。

麻省理工学院博士后 Dihao Wang 和 Dvir Harris 以及前麻省理工学院研究生 Olivia Fiebig 博士 '22 是该论文的主要作者，该论文将发表在《 国家科学院院刊》上。麻省理工学院化学教授曹建树也是该论文的作者之一。

能量捕获

在这项研究中，麻省理工学院的团队重点研究了紫色细菌，这种细菌通常存在于缺氧的水生环境中，通常用作光合作用光捕获研究的模型。

在这些细胞内，捕获的光子穿过由蛋白质和叶绿素等光吸收色素组成的光捕获复合物。超快光谱学是一种使用极短激光脉冲来研究飞秒到纳秒时间尺度上发生的事件的技术，科学家们已经能够研究能量如何在这些蛋白质中移动。然而，研究能量如何在这些蛋白质之间传递已被证明更具挑战性，因为它需要以受控的方式定位多个蛋白质。

为了创建一个可以测量两种蛋白质之间能量如何传递的实验装置，麻省理工学院的团队设计了合成纳米级膜，其成分与天然存在的细胞膜相似。通过控制这些膜(称为纳米圆盘)的尺寸，他们能够控制嵌入圆盘内的两种蛋白质之间的距离。

在这项研究中，研究人员将紫色细菌中发现的主要光捕获蛋白的两种版本(LH2 和 LH3)嵌入到他们的纳米圆盘中。LH2 是正常光照条件下存在的蛋白质，LH3 是通常仅在弱光条件下表达的变体。

使用 MIT.nano 设施的冷冻电子显微镜，研究人员可以对膜嵌入的蛋白质进行成像，并显示它们的定位距离与天然膜中看到的距离相似。他们还能够测量光捕获蛋白质之间的距离，其尺寸为 2.5 至 3 纳米。

杂乱的比较好

由于LH2和LH3吸收的光波长略有不同，因此可以使用超快光谱来观察它们之间的能量转移。对于间隔很近的蛋白质，研究人员发现一个能量光子在它们之间传播大约需要 6 皮秒。对于距离较远的蛋白质，传输最多需要 15 皮秒。

更快的旅行意味着更有效的能量传输，因为旅行时间越长，传输过程中损失的能量就越多。

“当光子被吸收时，能量会因非辐射衰变等不必要的过程而损失掉，因此能量转换得越快，效率就越高，”施劳-科恩说。

研究人员还发现，以晶格结构排列的蛋白质比以随机组织结构排列的蛋白质(通常在活细胞中)表现出较低的能量转移效率。

“有序的组织实际上比生物学的无序组织效率低，我们认为这非常有趣，因为生物学往往是无序的。这一发现告诉我们，这可能不仅是生物学不可避免的缺点，而且生物体可能已经进化到利用它，”施劳-科恩说。

既然他们已经建立了测量蛋白质间能量转移的能力，研究人员计划探索其他蛋白质之间的能量转移，例如天线蛋白质与反应中心蛋白质之间的转移。他们还计划研究除紫色细菌以外的生物体(例如绿色植物)中发现的天线蛋白之间的能量转移。