Nat Commun.|密歇根大学研究人员在光合作用中追踪光的路径

30亿年前，光首先在微小的反应中心中穿过叶绿素，这是植物和光合细菌将光转化为食物的第一步。

螺杆菌是一种利用光合作用产生能量的细菌，其反应中心被认为与所有光合作用生物的共同祖先相似。现在，密歇根大学的一个研究小组已经确定了将光转化为这种细菌能量的第一步。

该研究的主要作者、密歇根大学物理学家詹妮弗 · 奥格尔维说: “我们的研究突出了自然界利用30亿年前出现的基本反应中心结构的不同方式。”。“我们想最终了解能量是如何在系统中移动的，并最终创造出我们所说的'电荷分离状态’。这种状态是驱动光合作用发动机的电池。”

光合作用生物体含有“天线”蛋白质，这些蛋白质中含有色素分子，可以收集光子。然后，收集到的能量被引导到“反应中心”，为最初的步骤提供动力，将光能转化为有机体的食物。这些最初的步骤发生在令人难以置信的快速时间尺度上——飞秒，或十亿分之一秒的百万分之一。在一眨眼的时间里，这种转换发生了千万亿次。

研究人员对理解这种转变是如何发生的很感兴趣。它让我们更好地了解植物和光合生物如何将光转化为营养能量。这也让研究人员更好地理解光电池的工作原理，以及理解如何更好地建造它们的基础。

图为螺杆菌反应中心电荷分离示意图

当光线照射到光合有机体时，天线内的色素收集光子，将能量导向反应中心。在反应中心，能量碰撞一个电子到一个更高的能级，从那里它移动到一个新的位置，留下一个正电荷。这被称为电荷分离。这个过程的发生与它所在的反应中心的结构不同。

在植物和大多数光合生物的反应中心，协调电荷分离的色素吸收类似的光的颜色，使得电荷分离很难可视化。利用螺杆菌，研究人员确定了哪些色素在被光子激发后最初给予电子，哪些色素接受电子。

螺杆菌是一个很好的检测模型，奥格尔维说，因为它们的反应中心有叶绿素和菌绿素的混合物，这意味着这些不同的色素吸收不同的光的颜色。例如，她说，想象一下在人群中试图跟随一个人---- 但是每个人都穿着蓝色夹克，你在远处观看，你只能拍摄人群中穿行的人的快照。

“但如果你看到的人穿着一件红色的夹克，你可以更容易地跟踪他们。物理学、生物物理学和高分子科学与工程学教授奥格尔维说: “这个系统就像是那样: 它有不同的标记。”

过去，由于对螺杆菌的反应中心结构还不清楚，因此很难对其进行理解。众所周知，像反应中心这样的膜蛋白的结构很难确定，但是奥格尔维的合著者，亚利桑那州立大学的生物化学家凯文 · 雷丁，发明了一种方法来解决这些反应中心的晶体结构。

为了探索螺杆菌的反应中心，奥格尔维的团队使用了一种称为多维电子光谱的超快光谱技术，该技术由主要作者和博士后研究员殷松在奥格尔维的实验室实施。研究小组将一系列精确定时的、非常短的激光脉冲瞄准一个细菌样本。激光脉冲越短，激发的光谱就越宽。

每当激光脉冲击中样品时，光就激发其内部的反应中心。研究人员改变脉冲之间的时间延迟，然后记录每个脉冲如何与样本相互作用。当脉冲击中样品时，样品中的电子被激发到一个更高的能级。样本中的颜料吸收特定波长的激光---- 特定的颜色---- 以及被吸收的颜色给研究人员提供了关于系统的能级结构和能量如何通过它流动的信息。

“这是光谱学的一个重要作用: 当我们只是观察某物的结构时，它的工作原理并不总是那么明显。光谱学使我们能够跟踪一个结构的运作，因为能量正在被吸收，并通过第一个能量转换的步骤。“因为这种反应中心的能量是截然不同的，我们可以清楚地看到能量的去向。”

对这种能量传输和电荷分离过程有了更清晰的了解，研究人员就可以对其他反应中心的反应过程发展出更精确的理论。

“在植物和细菌中，人们认为电荷分离机制是不同的,”奥格尔维说。“我们的梦想是能够获得一个结构，如果我们的理论足够好，我们应该能够预测它是如何工作的，以及在其他结构中会发生什么，并排除不正确的机制。”

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