光合細菌分子自組裝捕光天線相干激子態傳能機制研究獲進展

　　顧城給世人留下了著名詩句「黑夜給了我黑色的眼睛，我卻用它來尋找光明」。把這句話用在古老的光合細菌綠硫菌身上也十分妥帖。人眼對可見光的響應達到單光子量級，而依靠光合作用為生的綠硫菌其生存環境比我們所經歷過的任何黑夜還要暗淡。可以想像它們的捕光天線系統也應該十分發達，傳能機制也會更為奇特。綠硫菌捕光天線可高達100%的傳能效率也足以證實人們的這種猜測，然而其傳能機制還一直處於深入研究當中。

　　2016年2月，北京師範大學楊清正課題組，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）翁羽翔研究組和中國科學院理化技術研究所吳驪珠、佟振合研究組合作，在Angew. Chem. Int.上發表了題為Light-Harvesting Systems Based on Organic Nanocrystals To Mimic Chlorosomes 的研究論文，在色素分子自組裝三維納米晶體中證實了離域激子態遷移的傳能機制。

　　綠硫菌(Green Sulfur Bacteria)被稱為黑暗中的捕光者。35億年前地球上出現了一類最早的原核生物體光合細菌，它們具有原始的光合系統。在經歷漫長的生物進化和多次對生物界具有毀滅性的氣候大災變後，地球上這類資格最老的生物依然頑強地活著，這本身就是一個奇蹟，而造就這一奇蹟的是它們自身的生物構造，使得它們能夠在太陽光照度極低的環境下生存下來。綠硫菌就是這類光合細菌中的一員，它們生活在例如印度尼西亞的 Matano湖和黑海水深約110-120米的深水中，捕光天線中每個捕光葉綠素分子一天也就能夠捕獲幾個光子。更有甚者，在墨西哥海岸附近發現有一種綠硫細菌，生活在水深2500米太平洋中的海底黑煙囪周圍，在這麼深的海底，陽光已無法企及，它們只能依靠熱洋流的微弱熱輻射而生存。

　　不難想像，如果沒有一副高效的捕光系統，綠硫菌是難以在如此黑暗的環境中存活下來的。圖1為綠硫菌的構造示意圖。其光合天線系統包含以下三部分：綠小體捕光天線(chlorosome)、能量受體基盤(baseplate)和能量傳遞系統FMO蛋白色素複合體(Fenna–Matthews–Olson antenna protein)及光合反應中心(Reaction center)。

　　捕光天線綠小體是已知生物體內最大的捕光天線結構。綠小體和高等植物及其他光合細菌捕光天線的不同之處不僅僅是尺度之大，還在於其色素分子細菌葉綠素c的組裝模式。高等植物及其他光合細菌的捕光天線是由色素分子與蛋白分子相結合，鑲嵌在生物膜上。而綠小體中的色素分子則完全通過化學自組裝的方式形成二維的片狀結構，再由片狀結構捲成套筒結構或蛋卷結構的橢球。如圖1所示，捕光系統是由一層生物膜包裹著多個綠小體，不同綠小體的大小也存在個體差異，其形貌結構一般約為長110-180 nm、寬40 nm的橢球。每一色素層中細菌葉綠素c分子以頭尾相連的形式自組裝成二維晶格。綠小體中大約包含250,000 個細菌葉綠素c分子及2500葉綠素a分子。其中細菌葉綠素c分子為能量給體，細菌葉綠素a分子為能量受體。基片中的能量受體分子葉綠素a埋在包裹綠小體的生物膜中，因此給體分子細菌葉綠素c和基片中能量受體分子細菌葉綠素a的數目比例>100:1。

　　能量傳遞系統FMO的功能是將外圍天線綠小體和基片捕光後形成的激發態能量傳遞到光合反應中心。FMO是個三聚體色素蛋白複合物，三聚體間的作用很弱。每個單體包含8個細菌葉綠素a分子。對於FMO的研究，2005年之前一直處於不被關注的冷門狀態，直至2005年加州大學伯克利分校的Fleming小組利用二維超快電子光譜在77K條件下揭示了FMO通過色素分子電子態耦合實現量子相干態傳能的機制。他們直接觀測到了長達660飛秒的量子相干過程，提出了相干態能量傳輸的概念。這一新的能量傳輸途徑和傳統的F rster點對點的跳躍式傳能模式相比，具有顯著的差異：即能量的空間離域性和時間上的瞬時性。由於FMO色素分子間存在很強的電子態耦合效應，使得色素的激發態具有很強的離域性，色素分子激發態波函數發生相干疊加，能量以量子力學波的形式快速傳遞到終極受體色素分子上。量子相干態能量傳輸機制不僅很好地解釋了綠硫細菌光合天線的高效傳能現象，同時也引發了學術界對相干態傳能的持續探索。

　　和FMO相比，綠小體的能量傳遞機制遠不夠清楚，至少有如下幾方面的限制：(1)不同綠小體個體存在不均一性；(2)單個綠小體內分子自組裝二維晶體存在結構失配，以致文獻中細菌葉綠素c到a的激發態傳能效率存在很大的差異，從65%到100%都有報導。2012年基於對綠小體激發態傳能的二維超快電子光譜研究結果，提出了如下的傳能模型：由於二維分子晶格存在結構失配，激發態波函數不能夠完全擴展到整個分子聚集體片層，而是形成局部離域的相干態簇。有學者估算了單個相干態的離域尺度約5 nm左右。離域相干態間的能量傳遞及平衡在<100飛秒的時間內完成。相干態簇中能量以無規跳躍的方式在相鄰的離域單元中傳輸，表現為離域的相干激子態在二維分子層面上的遷移運動，此前，這一機制一直未獲得實驗證實。

　　為了解決這個問題，該研究在實驗中以β-二酮氟化硼色素分子(BF2bcz)作為能量給體，兩種結構較為相似的BF2cna和BF2dan分別作為能量受體，通過調節給體分子和受體分子含量的比例（106:1到103:1之間），將它們共組裝成給受體有機納米共晶。通過測定不同給受體比例的有機納米晶中受體對給體螢光淬滅的速度常數，發現存在一個受體濃度的臨界值，當受體濃度小於臨界值時，給體激發態淬滅過程符合雙分子碰撞反應機理，給出的二級反應速率為1012M-1s-1。而當受體濃度達到臨界值後，螢光淬滅速率達到極大值，並不再隨受體濃度的提高而發生變化。上述結果表明，(1)在給受體組裝成的納米共晶中，能量傳遞過程符合激子遷移機制；(2)受體臨界濃度對應的兩個受體分子間的平均距離代表相干激子態的離域尺度。若以圓表示相干激子態的離域單元，該離域區域的半徑為6.1 nm，相應的給受體分子的比例為1000:1。另外該人工模擬系統同樣具有很高的傳能效率：當給體受體的比例高達1000：1時，能量傳遞效率仍可達95%。論文(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2759 –2763)被選VIP文章。

　　相關研究工作得到了國家科技部「973」計劃、國家自然科學基金委（項目批准號：21525206, 21222210, 21472202）、中央高校基本科研業務費專項資金等的支持。

　　圖1. 左圖為綠硫光合細菌的構造及綠小體結構示意圖，分子結構為細菌葉綠素c；右圖為人工模擬分子自組裝有機納米晶體。

　　圖2. 給受體有機納米共晶中能量傳遞的相干激子態遷移機制及兩種不同受體分子對給體螢光的濃度淬滅關係。