当光合细胞吸收来自太阳的光时，光能以“光子”为单位，在一系列捕光蛋白质（light-harvesting proteins）之间转移，直至到达光合作用反应中心——在这里，细胞将光子（光能）转化为电子（电能），最终为有机物的生产提供动力。

捕光蛋白质与叶绿素共同组成光捕获复合体（light-harvesting complex，LH/LHC，也称为捕光天线复合体）。这种通过 LH 进行的能量转移以极高的效率发生：几乎每个被吸收的光子都会产生一个电子，这种现象被称为“near-unity quantum efficiency”（近统一量子效率）。

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近日，麻省理工学院化学家的一项新研究为光捕获复合体的蛋白质为何如此高效率提供了潜在的解释。研究人员首次得以测量捕光蛋白之间的能量转移，发现正是这些蛋白质的无序排列提高了能量转导的效率。

该成果以“Ultrafast Dynamics of Photosynthetic Light Harvesting: Strategies for Acclimation Across Organisms”一文发表于Annual Review of Physical Chemistry，作者包括麻省理工学院化学副教授Gabriela Schlau-Cohen、化学教授Jianshu Cao。该研究主要由美国能源部资助。

在这项研究中，研究小组专注于一种紫细菌，这种细菌通常存在于缺氧的水生环境中，是研究光合作用光捕获的模型。

使用超快光谱——一种使用极短激光脉冲研究在飞秒到纳秒的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光捕获复合体中单个蛋白质之间的移动。然而，研究能量如何在这些蛋白质之间传播已被证明更具挑战性，因为它需要以受控方式定位多种蛋白质。

为了创建一个可供测量能量如何在两种蛋白质之间传播的实验装置，研究小组设计了合成纳米级膜，其成分类似于天然的细胞膜。通过控制这些膜（称为纳米盘）的大小，研究人员得以控制嵌入盘内的两种蛋白质之间的距离。

研究人员将紫细菌中的两种主要捕光蛋白（LH2和LH3）嵌入纳米盘。LH2 是在正常光照条件下存在的蛋白质，LH3 是一种通常仅在弱光条件下表达的变体。

使用冷冻电子显微镜，研究人员可以对膜嵌入蛋白质进行成像，还能够测量捕光蛋白之间的距离，其尺度为 2.5-3 纳米。

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技术来观察它们之间的能量转移。对于间隔紧密的蛋白质，研究人员发现，能量光子在它们之间传播大约需要 6 皮秒。对于相距较远的蛋白质，转移最多需要 15 皮秒。

更快的光子转移表现为更有效的能量传输，因为能量转移的时间越长，传输过程中损失的就越多。

研究人员还发现，排列在晶格结构中的蛋白质比随机组织结构中的蛋白质表现出更低的能量转移效率，后者通常存在于活细胞中。

“有序组织实际上不如生物学的无序组织效率，我们认为这非常有趣，因为生物学往往是无序的。这可能不仅是生物学不可避免的缺点，反而生物体可能已经进化到利用无序。”Schlau-Cohen说。

建立了测量蛋白质间能量转移的能力后，研究人员计划探索其他蛋白质之间的能量转移，例如在捕光天线蛋白与反应中心蛋白之间。他们还计划研究紫细菌以外的生物体（如绿色植物）中捕光天线蛋白之间的能量转移。