如果只有我們能夠更有效地捕獲所有能量，每天都有足夠的陽光照射地球，為地球提供多次動力。由于今天的太陽能電池板效率受到限制(目前，超過80%的可用太陽能作為熱量損失)，科學家們一直在研究自然界，以便更好地了解光合作用植物和細菌捕獲陽光的方式。

“大自然的光合作用發(fā)明是驅(qū)動生物圈的最重要的能量轉(zhuǎn)換過程，光合作用永遠改變了地球的大氣層，”亞利桑那州立大學生物設(shè)計研究所應用結(jié)構(gòu)生物學中心和分子學院的副研究教授Raimund Fromme說?？茖W。

超過30億年前，我們的星球沒有氧氣。在這個時候，大自然想出了一種捕捉陽光并將其轉(zhuǎn)化為食物的方法，以利用這種永恒的能源。

現(xiàn)在，由Fromme領(lǐng)導的一個研究小組通過近原子清晰度解決了重要的新見解，這是最簡單的已知光合細菌中的第一個核心膜蛋白結(jié)構(gòu)，稱為Heliobacterium modesticaldum(Helios是希臘太陽神)。

通過解決這種愛好陽光的土壤細菌的光合作用的核心，F(xiàn)romme的研究團隊對光合作用的早期進化以及植物系統(tǒng)之間這一重要過程的不同有了新的認識。

他們的發(fā)現(xiàn)為科學家提供了一個全新的模板，為有機太陽能電池板設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，被稱為太陽能“人造葉子”，或可能的可再生生物燃料應用。

研究結(jié)果發(fā)表在今天的“科學”雜志上。

大自然最了解

亞利桑那州立大學長期以來一直是光合作用的長期研究領(lǐng)導者，可以追溯到20世紀70年代作為研究型大學的第一個十年。對于那些被索諾蘭沙漠獨特美景吸引的科學家來說，這是一個天生的選擇，它擁有300多天的年度日照，是全國捕獲太陽能的最佳地點。

生命的太陽能電池板，科學家稱之為光系統(tǒng)，被植物，藻類和光合細菌用作一種非常有效的系統(tǒng)，用于捕獲幾乎所有可利用的光子生長和茁壯成長，幾乎填滿了地球上的每個角落。

Fromme是亞利桑那州立大學大型結(jié)構(gòu)生物學研究小組的成員，他們通過拍攝光合作用反應中心內(nèi)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)來幫助將光轉(zhuǎn)化為能量，從而逐步獲得更好的理解。

“為了真正完全理解光合作用，人們必須遵循將光轉(zhuǎn)化為化學能的過程，”Fromme說。“這是有史以來研究最快的化學反應之一，這也是研究和理解這么難的一部分。”

相比之下，光合作用的時間尺度將閃電般的光線變成了類似蝸牛的速度。光合作用反應發(fā)生在皮秒級，即1萬億分之一秒。皮秒是一秒鐘，一秒鐘是37,000年。

但ASU結(jié)構(gòu)生物學家正在使用更強大的X射線技術(shù)，通過在整個過程中捕獲結(jié)晶蛋白的凍結(jié)圖像，有朝一日追趕光。

閃電在一個瓶子里

為了研究光合作用，F(xiàn)romme探索了最簡單形式的光合作用，即最近在溫泉附近的泥質(zhì)土壤中發(fā)現(xiàn)的heliobacteria。

單細胞的heliobacteria比植物更簡單，但根本不同。例如，在光合作用期間，而不是使用像植物一樣的水，heliobacteria使用硫化氫。它們在沒有氧氣的情況下生長，在光合作用后，發(fā)出腐臭的雞蛋氣味代替氧氣。

Heliobacteria利用其獨特的地方成功地開辟了自己的生態(tài)位，因為它們使用近紅外波長的光進行光合作用，這對于冰島或泥水稻田等低光照條件非常適合。植物根本無法競爭。

科學家們想要了解日光桿菌如何實現(xiàn)這一目標。

對行動的反應

光合作用的核心是反應中心;它是一種精細的顏料和蛋白質(zhì)復合物，可將光轉(zhuǎn)化為電子，為細胞提供動力。

葉綠素是使植物變綠的色素。在植物中，葉綠素捕獲太陽的能量，并利用它從空氣和水中產(chǎn)生二氧化碳。

高等植物，綠藻和藍細菌的氧合成光合作用利用光照系統(tǒng)I(PSI)，它是I型RC，和光系統(tǒng)II(PSII)，它是II型RC。這些一起工作以從水中提取電子到鐵氧還蛋白，并最終將能量載體NADP +還原為NADPH。

相比之下，無氧光養(yǎng)細菌，如Heliobacterium modesticaldum，使用單個RC來驅(qū)動循環(huán)電子轉(zhuǎn)移(ET)途徑，該途徑在膜上產(chǎn)生質(zhì)子動力，其用于通過ATP合成驅(qū)動能量產(chǎn)生和代謝。

反應中心將這些參與者包圍成籠子，通過將所有元素組合在一起，有效地捕獲所有可用的能量和光子。

反應中心(RC)有兩種主要的輔助因子：鐵(I型)或醌(II型)。

Heliobacteria具有最簡單的已知反應中心并使用獨特的葉綠素。

heliobacteria的發(fā)現(xiàn)導致其RC的獨特特征的鑒定(在20世紀90年代，前ASU化學主席Robert Blankenship首先領(lǐng)導了一個小組來幫助序列和表征heliobacteria RCs)。

已經(jīng)提出，heliobacteria RC是最接近所有光合作用反應中心最早共同祖先的物種，當大約30億年前，早期地球含有富含硫的海洋和少量氧氣。

但成功純化RC蛋白和生長X射線實驗所需的晶體可能是一個漫長而艱難的過程。

特別是，F(xiàn)romme的研究項目是在七年前開始的，因為博士后研究員Iosifina Sarrou首先改進了heliobacterial反應中心的制備。經(jīng)過許多初步的結(jié)晶試驗后，發(fā)現(xiàn)了X射線衍射晶體電荷。

“這是晶體學家正在等待的那一刻，”Fromme說，他解釋了生長適合X射線研究的完美蛋白質(zhì)晶體所需的時間。

兩個探戈

在這些令人鼓舞的結(jié)果之后，Christopher Gisriel加入了團隊并將衍射質(zhì)量提高到2.2埃的最終質(zhì)量。

盡管如此，研究小組還是無法解決晶體結(jié)構(gòu)問題。

這次中斷需要兩年時間，直到2016年8月。然后，終于有了突破。

在這一點上“隨著每個新的葉綠素受到歡呼，”在未知領(lǐng)域開始了驚心動魄的發(fā)現(xiàn)，“Fromme記得，并”證明了每個人對heliobacteria的RC的初步預測是錯誤的。“

使用位于加利福尼亞州伯克利的先進光源的X射線光，以及位于伊利諾伊州阿貢國家實驗室的高級光子源的光束線，F(xiàn)romme的小組現(xiàn)在已經(jīng)在近原子上首次可視化了heliobacteria RC，2.2-埃分辨率(埃是氫原子的寬度)。

他們在heliobacter RC中發(fā)現(xiàn)了幾乎完美的對稱性。

首先，一對蛋白質(zhì)的氨基酸組成相同，稱為同型二聚體。

這是第一次發(fā)現(xiàn)RC只含有一對蛋白質(zhì)同型二聚體來驅(qū)動光合作用。

最后，他們將大約60個葉綠素映射到RC蛋白復合物上，這最終比他的研究預測的Pennstate大學的同事John Golbeck高出許多。

核心多肽二聚體和兩個小亞基配位54個(細菌)葉綠素和2個類胡蘿卜素，它們在反應中心捕獲能量并將能量轉(zhuǎn)移到核心，進行電荷分離，穩(wěn)定化和電子轉(zhuǎn)移，它由6個(細菌)葉綠素和鐵組成。 - 硫簇;與其他反應中心不同，它缺乏結(jié)合的醌。

因此，該結(jié)構(gòu)支持這樣的假設(shè)，即HbRC中的電子傳遞不需要中間輔助因子。

“已經(jīng)從多種異二聚體(多于一種蛋白質(zhì))的RC(紫色細菌RC，PSI和PSII)獲得了高分辨率結(jié)構(gòu)，但直到現(xiàn)在還沒有解決同型二聚體RC結(jié)構(gòu)，”Fromme說。

光合作用的古老起源

此外，隨著DNA測序技術(shù)的爆炸式增長，以及能夠了解生命中所有基因和蛋白質(zhì)的潛在能力，他們還追蹤了光合作用RC的進化。

這個反應中心能否催生所有其他反應中心，導致更多的復雜性?

在進化學術(shù)語中，這意味著heliobacteria RC可能首先來自單個基因。

“這種結(jié)構(gòu)保留了祖先反應中心的特征，提供了對光合作用進化的洞察力，”Fromme的同事Kevin Redding解釋道。“從我們擁有的新結(jié)構(gòu)來看，對于一個引人注目的案例肯定是有道理的。”

然后，該基因可能已被復制以增加進化復雜性。

“同源二聚體RC在進化過程中幾乎肯定先于異二聚體RCs，”Fromme說。核心RC亞基基因的復制隨后兩個基因的分歧將允許同型二聚體轉(zhuǎn)化為異二聚體RC。這可能發(fā)生在至少三個不同的場合，導致在其他光合細菌和植物中發(fā)現(xiàn)所有不同的和更復雜的反應中心。“

太陽將再次升起

Fromme的小組對新結(jié)果的潛力感到興奮。這樣的理解可以在一天之內(nèi)幫助世界各地的研究小組建立一個人工光合作用中心，可以幫助開發(fā)下一代混合有機太陽能電池板，可能使用heliobacter來增強光吸收并開始提高太陽能效率或驅(qū)動太陽能可再生生物燃料技術(shù)。

畢竟，明天太陽將再次升起，等待越來越多聰明的技術(shù)，科學家們可以夢想捕捉太陽能的全部潛力。