为什么光合作用高效聚光

当光合细胞吸收来自太阳的光,称为光子的一系列聚光蛋白之间跳跃,直到他们达到光合反应中心。细胞的能量转换成电子,最终电力生产的糖分子。

这种能量转移通过聚光复杂的发生以极高的效率:几乎每一个光子的光吸收产生一个电子,这种现象称为near-unity量子效率。

麻省理工学院的一项新研究化学家提供了一种可能的解释聚光复杂的蛋白质,也称为天线,实现效率高。第一次,研究者能够测量聚光蛋白之间的能量转移,使他们能够发现这些蛋白质的杂乱无章的排列能提高能量转换的效率。

“为了让天线工作,你需要长途能量传导。我们的主要发现是,聚光的无序组织蛋白质提高长途能量传导的效率,”说加芙Schlau-Cohen,麻省理工学院的副教授化学和新研究的资深作者。

麻省理工学院博士后Dihao小王和Dvir哈里斯和前麻省理工学院研究生奥利维亚Fiebig博士的22是论文的主要作者,这篇发表在本周美国国家科学院院刊》上。剑术曹,化学的麻省理工学院的教授,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专注于紫色的细菌,经常发现在缺氧水生环境和常用的模型研究光合聚光。

在这些细胞中,捕获光子穿过聚光复合体组成的蛋白质和叶绿素等吸光色素。使用超快光谱技术,利用极短的激光脉冲研究纳秒飞秒的时间尺度上发生的那些事,科学家已经能够研究能量波动在一个这些蛋白质之一。然而,研究这些蛋白质之间的能量传播如何证明更具挑战性,因为它需要定位多个蛋白质控制的方式。

创建一个实验装置,可以衡量能源两个蛋白质之间旅行,麻省理工学院的团队设计合成纳米膜与细胞膜组成类似天然。通过控制这些膜的大小,称为nanodiscs,他们能够控制两个蛋白质之间的距离嵌入到光盘。

在这项研究中,研究人员嵌入两个版本的主聚光蛋白中发现紫色细菌,被称为LH2 LH3, nanodiscs。LH2的蛋白质在正常光照条件,和LH3变体通常表示只在低光照条件。

使用低温电子显微镜在麻省理工学院。纳米设备,研究人员可以形象他们种蛋白质和显示,他们在距离定位类似原生膜。他们也能够测量聚光蛋白之间的距离,这在2.5到3纳米的规模。

无序更好

因为LH2 LH3吸收不同波长的光,可以使用超快光谱观察它们之间的能量转移。对蛋白质的紧密合作,研究人员发现,大约需要6秒一个光子的能量它们之间旅行。蛋白质之间的距离,将需要15秒。

加快旅游翻译更有效的能量转移,因为旅途花费的时间越长,更多的能量转移期间丢失。

“光子被吸收的时候,你只有这么长时间在此之前通过不必要的过程能量丢失等非辐射的衰减,所以就能越快得到转换,效率越高,“Schlau-Cohen说。

研究人员还发现,蛋白质晶格结构排列显示有效的能量转移比蛋白质在随机组织结构安排,因为他们通常在活细胞。

“命令组织实际上是效率不及的无序组织生物学,我们认为这很有趣,因为生物学趋向于无序。这个发现告诉我们,这可能不仅仅是生物学的不可避免的缺点,但生物可能已经进化到利用它,”Schlau-Cohen说。

现在他们已经建立了衡量inter-protein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,如蛋白质之间的传输的天线蛋白反应中心。他们还计划研究天线之间的能量转移蛋白质中发现的生物除了紫色细菌,如绿色植物。

参考:王D, Fiebig OC,哈里斯D, et al。阐明interprotein能量转移动力学在天线网络从紫色的细菌。美国国家科学院院刊》上。2023;120 (28):e2220477120。doi:10.1073 / pnas.2220477120

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