当光合细胞吸收来自太阳的光线时，被称为光子的能量包在一系列光收集蛋白之间跳跃，直到它们到达光合反应中心。在那里，细胞将能量转化为电子，最终为糖分子的生产提供动力。这种通过光收集复合体的能量转移是以极高的效率进行的： 几乎每一个被吸收的光子都会产生一个电子，这种现象被称为近乎单一的量子效率。
麻省理工学院的研究人员发现，光收集复合体中的蛋白质的无序排列增强了其能量转移效率，推翻了有序结构更有效率的假设。这一发现表明，这种混乱的排列可能不是偶然的，而是一种有目的的进化，以实现效率的最大化。
麻省理工学院的化学家们首次测量了光合作用采光蛋白之间的能量传递，使他们发现采光蛋白的无序排列提高了能量传递的效率。资料来源：研究人员提供
麻省理工学院化学家的一项新研究为光收集复合体（也称为"天线"）的蛋白质如何实现这种高效率提供了一个潜在的解释。研究人员首次能够测量光收集蛋白之间的能量转移，使他们发现这些蛋白的无序排列提高了能量传导的效率。
"为了使该'天线'工作，你需要长距离的能量转导。我们的关键发现是，光收集蛋白的无序组织提高了这种长距离能量传导的效率，"麻省理工学院化学副教授、这项新研究的资深作者Gabriela Schlau-Cohen说。
麻省理工学院的博士后Dihao Wang和Dvir Harris以及麻省理工学院前研究生Olivia Fiebig博士'22是这篇论文的主要作者，该论文本周发表在《美国国家科学院院刊》上。麻省理工学院的化学教授曹建树也是该论文的作者。
在这项研究中，麻省理工学院的团队专注于紫色细菌，这些细菌通常在缺氧的水生环境中被发现，并且通常被用作研究光合作用光收集的模型。
在这些细胞内，捕获的光子通过由蛋白质和吸收光的色素（如叶绿素）组成的光收获复合体。使用超快光谱，一种使用极短的激光脉冲来研究发生在飞秒到纳秒时间尺度上的事件的技术，科学家们已经能够研究能量如何在这些蛋白质中的一个单独的蛋白质中移动。然而，研究能量如何在这些蛋白质之间移动已被证明更具挑战性，因为它需要以一种可控的方式定位多个蛋白质。
为了创建一个实验装置，使他们能够测量能量如何在两个蛋白质之间移动，麻省理工学院的团队设计了合成的纳米级膜，其成分与自然发生的细胞膜相似。通过控制这些被称为纳米盘的膜的大小，他们能够控制嵌入盘中的两个蛋白质之间的距离。
在这项研究中，研究人员将在紫色细菌中发现的主要采光蛋白的两个版本，即LH2和LH3，嵌入他们的纳米盘中。LH2是在正常光照条件下存在的蛋白质，而LH3是通常只在弱光条件下表达的变体。
利用麻省理工学院纳米设施的低温电子显微镜，研究人员可以对他们的膜包埋蛋白进行成像，并显示它们的位置与原生膜中的距离相似。他们还能够测量光收集蛋白之间的距离，其规模为2.5至3纳米。
由于LH2和LH3吸收的光的波长略有不同，因此有可能使用超高速光谱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，一个光子的能量在它们之间传播需要大约6皮秒的时间。对于相距较远的蛋白质，能量转移需要15皮秒的时间。
更快的旅行意味着更有效的能量转移，因为旅行的时间越长，转移过程中损失的能量就越多。
Schlau-Cohen说："当一个光子被吸收时，在能量通过非辐射衰变等不需要的过程失去之前，你只有这么长的时间，所以它能越快得到转换，它的效率就越高。"
研究人员还发现，排列在晶格结构中的蛋白质比排列在随机组织结构中的蛋白质显示出更低的能量转移效率，就像它们通常在活细胞中那样。
"有序的组织实际上比生物学的无序组织效率低，我们认为这非常有趣，因为生物学往往是无序的。"Schlau-Cohen说："这一发现告诉我们，这可能不仅仅是生物学的一个不可避免的缺点，而且生物体可能已经进化到利用它。"
目前研究人员已经建立了测量蛋白质间能量转移的能力，接下来的计划是探索其他蛋白质之间的能量转移，例如'天线'蛋白质到反应中心的蛋白质之间的转移。他们还计划研究在紫色细菌以外的生物体（如绿色植物）中发现的'天线'蛋白之间的能量转移。