麻省理工學院的化學家們第一次測量了光合作用光收集蛋白之間的能量傳遞，使他們發現光收集蛋白的無序排列提高了能量轉導的效率。圖片來源:研究人員提供

　　光收集復合物中蛋白質的無序排列是其極端效率的關鍵。

　　麻省理工學院的研究人員發現，光收集復合物中蛋白質的無序排列提高了它們的能量轉移效率，推翻了有序結構更有效的假設。這一發現表明，這種混亂的排列可能不是偶然的，而是為了實現效率最大化而有目的的進化。

　　當光合細胞吸收來自太陽的光時，稱為光子的能量包在一系列收集光的蛋白質之間跳躍，直到它們到達光合反應中心。在那里，細胞將能量轉化為電子，最終為糖分子的生產提供動力。

　　這種通過光收集復合物的能量轉移以極高的效率發生:幾乎每個被吸收的光光子都會產生一個電子，這種現象被稱為近單位量子效率。

　　麻省理工學院化學家的一項新研究為光收集復合物(也稱為天線)的蛋白質如何達到如此高的效率提供了一個潛在的解釋。研究人員第一次能夠測量光收集蛋白質之間的能量轉移，從而發現這些蛋白質的無序排列提高了能量轉導的效率。

　　“為了讓天線工作，你需要遠距離的能量傳導。我們的主要發現是，光收集蛋白質的無序組織提高了遠距離能量傳導的效率，”麻省理工學院化學副教授、這項新研究的資深作者加布里埃拉·施勞-科恩說。

　　麻省理工學院博士后Dihao Wang和Dvir Harris以及前麻省理工學院研究生Olivia Fiebig博士是這篇論文的主要作者，這篇論文本周發表在《美國國家科學院院刊》上。麻省理工學院化學教授曹建樹也是這篇論文的作者之一。

　　能量捕獲

　　在這項研究中，麻省理工學院的研究小組專注于紫色細菌，這種細菌通常存在于缺氧的水生環境中，通常被用作光合作用光收集研究的模型。

　　在這些細胞內，被捕獲的光子穿過由蛋白質和吸收光的色素(如葉綠素)組成的光收集復合物。利用超快光譜學，一種使用極短激光脈沖來研究在飛秒到納秒時間尺度上發生的事件的技術，科學家們已經能夠研究能量如何在單個這些蛋白質中移動。然而，研究能量如何在這些蛋白質之間傳遞已被證明更具挑戰性，因為它需要以一種可控的方式定位多個蛋白質。

　　為了建立一個實驗裝置，他們可以測量能量如何在兩種蛋白質之間傳遞，麻省理工學院的研究小組設計了合成的納米級膜，其成分與自然發生的細胞膜相似。通過控制這些被稱為納米片的膜的大小，他們能夠控制嵌入在納米片中的兩個蛋白質之間的距離。

　　在這項研究中，研究人員將紫色細菌中發現的兩個版本的主要光收集蛋白LH2和LH3嵌入到他們的納米圓盤中。LH2是在正常光照條件下存在的蛋白質，而LH3是一種通常只在弱光照條件下表達的變體。

　　使用麻省理工學院的低溫電子顯微鏡。利用納米設備，研究人員可以對他們的膜內蛋白質進行成像，并顯示它們的位置與在天然膜上看到的距離相似。他們還能夠測量光捕獲蛋白質之間的距離，這在2.5到3納米之間。

　　無序更好

　　由于LH2和LH3吸收的光波長略有不同，因此可以使用超快光譜來觀察它們之間的能量傳遞。對于緊密排列在一起的蛋白質，研究人員發現，一個能量光子在它們之間傳播大約需要6皮秒。對于相隔較遠的蛋白質，這種轉移需要15皮秒。

　　更快的旅行意味著更有效的能量轉移，因為旅行時間越長，在轉移過程中損失的能量就越多。

　　“當光子被吸收時，在能量通過非輻射衰變等不必要的過程損失之前，你只有很長時間，所以它轉換得越快，效率就越高，”施勞-科恩說。

　　研究人員還發現，排列在晶格結構中的蛋白質比排列在隨機組織結構中的蛋白質表現出更低的能量傳遞效率，因為它們通常在活細胞中。

　　“有序的組織實際上比無序的生物組織效率低，我們認為這很有趣，因為生物往往是無序的。這一發現告訴我們，這可能不僅僅是生物學不可避免的缺點，而且生物體可能已經進化到可以利用它，”施勞-科恩說。

　　現在他們已經建立了測量蛋白質間能量轉移的能力，研究人員計劃探索其他蛋白質之間的能量轉移，例如天線蛋白質到反應中心蛋白質之間的轉移。他們還計劃研究在紫色細菌以外的生物體(如綠色植物)中發現的天線蛋白質之間的能量傳遞。

　　參考文獻:“紫色細菌的信號網絡中蛋白質間能量傳遞動力學的研究”，作者:王dihao, Olivia C. Fiebig, Dvir Harris, Hila Toporik, Yi Ji, Chern Chuang, Muath Nairat, Ashley L. Tong, John I. Ogren, Stephanie M. Hart, Cao Jianshu, James N. Sturgis, Yuval Mazor和Gabriela S. schlauh - cohen, 2023年7月3日，美國國家科學院學報。DOI: 10.1073 / pnas.2220477120

　　這項研究主要由美國能源部資助。