當光合細胞吸收來自太陽的光線時，被稱為光子的能量包在一系列光收集蛋白之間跳躍，直到它們到達光合反應中心。在那裡，細胞將能量轉化為電子，最終為糖分子的生產提供動力。這種通過光收集複合體的能量轉移是以極高的效率進行的： 幾乎每一個被吸收的光子都會產生一個電子，這種現像被稱為近乎單一的量子效率。

麻省理工學院的研究人員發現，光收集複合體中的蛋白質的無序排列增強了其能量轉移效率，推翻了有序結構更有效率的假設。這一發現表明，這種混亂的排列可能不是偶然的，而是一種有目的的進化，以實現效率的最大化。

麻省理工學院的化學家們首次測量了光合作用採光蛋白之間的能量傳遞，使他們發現採光蛋白的無序排列提高了能量傳遞的效率。資料來源：研究人員提供

麻省理工學院化學家的一項新研究為光收集複合體（也稱為”天線”）的蛋白質如何實現這種高效率提供了一個潛在的解釋。研究人員首次能夠測量光收集蛋白之間的能量轉移，使他們發現這些蛋白的無序排列提高了能量傳導的效率。

“為了使該’天線’工作，你需要長距離的能量轉導。我們的關鍵發現是，光收集蛋白的無序組織提高了這種長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Gabriela Schlau-Cohen說。

麻省理工學院的博士後Dihao Wang和Dvir Harris以及麻省理工學院前研究生Olivia Fiebig博士’22是這篇論文的主要作者，該論文本週發表在《美國國家科學院院刊》上。麻省理工學院的化學教授曹建樹也是該論文的作者。

在這項研究中，麻省理工學院的團隊專注於紫色細菌，這些細菌通常在缺氧的水生環境中被發現，並且通常被用作研究光合作用光收集的模型。

在這些細胞內，捕獲的光子通過由蛋白質和吸收光的色素（如葉綠素）組成的光收穫複合體。使用超快光譜，一種使用極短的激光脈衝來研究發生在飛秒到納秒時間尺度上的事件的技術，科學家們已經能夠研究能量如何在這些蛋白質中的一個單獨的蛋白質中移動。然而，研究能量如何在這些蛋白質之間移動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。

為了創建一個實驗裝置，使他們能夠測量能量如何在兩個蛋白質之間移動，麻省理工學院的團隊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盤的膜的大小，他們能夠控制嵌入盤中的兩個蛋白質之間的距離。

在這項研究中，研究人員將在紫色細菌中發現的主要採光蛋白的兩個版本，即LH2和LH3，嵌入他們的納米盤中。LH2是在正常光照條件下存在的蛋白質，而LH3是通常只在弱光條件下表達的變體。

利用麻省理工學院納米設施的低溫電子顯微鏡，研究人員可以對他們的膜包埋蛋白進行成像，並顯示它們的位置與原生膜中的距離相似。他們還能夠測量光收集蛋白之間的距離，其規模為2.5至3納米。

由於LH2和LH3吸收的光的波長略有不同，因此有可能使用超高速光譜來觀察它們之間的能量轉移。對於間隔緊密的蛋白質，研究人員發現，一個光子的能量在它們之間傳播需要大約6皮秒的時間。對於相距較遠的蛋白質，能量轉移需要15皮秒的時間。

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

Schlau-Cohen說：”當一個光子被吸收時，在能量通過非輻射衰變等不需要的過程失去之前，你只有這麼長的時間，所以它能越快得到轉換，它的效率就越高。”

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顯示出更低的能量轉移效率，就像它們通常在活細胞中那樣。

“有序的組織實際上比生物學的無序組織效率低，我們認為這非常有趣，因為生物學往往是無序的。”Schlau-Cohen說：”這一發現告訴我們，這可能不僅僅是生物學的一個不可避免的缺點，而且生物體可能已經進化到利用它。”

目前研究人員已經建立了測量蛋白質間能量轉移的能力，接下來的計劃是探索其他蛋白質之間的能量轉移，例如’天線’蛋白質到反應中心的蛋白質之間的轉移。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’蛋白之間的能量轉移。