物理所对光合细菌分子自组装捕光天线相干激子态传能机制的人工模拟取得进展

　　顾城給世人留下了著名诗句“黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它来寻找光明”。把这句话用在古老的光合细菌绿硫菌身上也十分妥帖。人眼对可见光的响应达到单光子量级，而依靠光合作用为生的绿硫菌其生存环境比我们所经历过的任何黑夜还要暗淡。可以想象它们的捕光天线系统也应该十分发达，传能机制也会更为奇特。绿硫菌捕光天线可高达100%的传能效率也足以证实人们的这种猜测，然而其传能机制还一直处于深入研究当中。

　　绿硫菌(Green Sulfur Bacteria)：黑暗中的捕光者. 35亿年前地球上出现了一类最早的原核生物体光合细菌，它们具有原始的光合系统。在经历漫长的生物进化和多次对生物界具有毁灭性的气候大灾变，地球上这类资格最老的生物依然顽强地活着，这本身就是一个奇迹，而造就这一奇迹的是它们自身的生物构造，使得它们能够在太阳光照度极低的环境下生存下来。绿硫菌就是这类光合细菌中的一员，它们生活在例如印度尼西亚的 Matano湖和黑海水深约110-120米的深水中，捕光天线中每个捕光叶绿素分子一天也就能够捕获几个光子。更有甚者，在墨西哥海岸附近发现有一种绿硫细菌，生活在水深2500米太平洋中的海底黑烟囱周围，在这么深的海底，阳光已无法企及，它们只能依靠热洋流的微弱热辐射而生存。

　　不难想象，如果没有一副高效的捕光系统，绿硫菌是难以在如此黑暗的环境中存活下来的。 图1为绿硫菌的构造示意图。其光合天线系统包含以下三部分：绿小体捕光天线(chlorosome,)，能量受体基盘(baseplate)和能量传递系统FMO蛋白色素复合体(Fenna–Matthews–Olson antenna protein)及光合反应中心(Reaction center)。

　　

图1. 左图为绿硫光合细菌的构造及绿小体结构示意图，分子结构为细菌叶绿素c；右图为人工模拟分子自组装有机纳米晶体。

　　绿小体：生物体中罕见的单纯小分子自组装结构. 捕光天线绿小体是已知生物体内最大的捕光天线结构。绿小体和高等植物及其他光合细菌捕光天线的不同之处不仅仅是尺度之大，还在于其色素分子细菌叶绿素c的组装模式。高等植物及其他光合细菌的捕光天线是由色素分子与蛋白分子相结合，镶嵌在生物膜上。而绿小体中的色素分子则完全通过化学自组装的方式形成二维的片状结构，再由片状结构卷成套筒结构或蛋卷结构的椭球。 如图1所示，捕光系统是由一层生物膜包裹着多个绿小体，不同绿小体的大小也存在个体差异，其形貌结构一般约为长110-180 nm,宽40 nm的椭球。每一色素层中细菌叶绿素c分子以头尾相连的形式自组装成二维晶格。绿小体中大约包含250,000 个细菌叶绿素c分子及2500叶绿素a分子。其中细菌叶绿素c分子为能量给体，细菌叶绿素a分子为能量受体。 基片中的能量受体分子叶绿素a埋在包裹绿小体的生物膜中，因此给体分子细菌叶绿素c和基片中能量受体分子细菌叶绿素a的数目比例>100:1。1

　　FMO色素蛋白复合体的高效量子相干态传能。能量传递系统FMO的功能是将外围天线绿小体和基片捕光后形成的激发态能量传递到光合反应中心。FMO是个三聚体色素蛋白复合物，三聚体间的作用很弱。每个单体包含8个细菌叶绿素a分子。对于FMO的研究，2005年之前一直处于不被关注的冷门状态，直至2005年加州大学伯克利分校的Fleming小组利用二维超快电子光谱在77K条件下揭示了FMO通过色素分子电子态耦合实现量子相干态传能的机制。2,3 他们直接观测到了长达660飞秒的量子相干过程，提出了相干态能量传输的概念。这一新的能量传输途径和传统的Förster点对点的跳跃式传能模式相比，具有显著的差异：即能量的空间离域性和时间上的瞬时性。由于FMO色素分子间存在很强的电子态耦合效应，使得色素的激发态具有很强的离域性，色素分子激发态波函数发生相干叠加，能量以量子力学波的形式快速传递到终极受体色素分子上。量子相干态能量传输机制不仅很好地解释了绿硫细菌光合天线的高效传能现象，同时也引发了学术界对相干态传能的持续探索。

　　绿小体激子态传能的人工模拟。 和FMO相比，绿小体的能量传递机制远不够清楚，至少有如下几方面的限制：(1)不同绿小体个体存在不均一性；(2)单个绿小体内分子自组装二维晶体存在结构失配，以致文献中细菌叶绿素c到a的激发态传能效率存在很大的差异，从65%到100%都有报道。4 2012年基于对绿小体激发态传能的二维超快电子光谱研究结果，提出了如下的传能模型：由于二维分子晶格存在结构失配，激发态波函数不能够完全扩展到整个分子聚集体片层，而是形成局部离域的相干态簇。有学者估算了单个相干态的离域尺度约5 nm左右。离域相干态间的能量传递及平衡在<100飞秒的时间内完成。相干态簇中能量以无规跳跃的方式在相邻的离域单元中传输，5 表现为离域的相干激子态在二维分子层面上的迁移运动，然而这一机制尚未获得实验证实。

　　2016年2月北京师范大学杨清正课题组，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）翁羽翔研究组和中国科学院理化技术研究组吴骊珠、佟振合院士研究组合作，在Angew. Chem. Int.上发表了题为“Light-Harvesting Systems Based on Organic Nanocrystals To Mimic Chlorosomes”的研究论文，在色素分子自组装三维纳米晶体中证实了离域激子态迁移的传能机制。

　　

图2. 给受体有机纳米共晶中能量传递的相干激子态迁移机制及两种不同受体分子对给体荧光的浓度淬灭关系。

　　实验中以β-二酮氟化硼色素分子(BF2bcz)作为能量给体，两种结构较为相似的BF2cna和BF2dan分别作为能量受体，通过调节给体分子和受体分子含量的比例（106:1到103:1之间），将它们共组装成给受体有机纳米共晶。通过测定不同给受体比例的有机纳米晶中受体对给体荧光淬灭的速度常数，发现存在一个受体浓度的临界值，当受体浓度小于临界值时，给体激发态淬灭过程符合双分子碰撞反应机理，给出的二级反应速率为1012M-1s-1。而当受体浓度达到临界值后，荧光淬灭速率达到极大值，并不再随受体浓度的提高而发生变化。上述结果表明，(1)在给受体组装成的纳米共晶中，能量递过程符合激子迁移机制；(2)受体临界浓度对应的两个受体分子间的平均距离代表相干激子态的离域尺度。若以圆表示相干激子态的离域单元，该离域区域的半径为6.1 nm,相应的给受体分子的比例为1000:1。另外该人工模拟系统同样具有很高的传能效率：当给体受体的比例高达到1000：1时，能量传递效率仍可达95%。 论文(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2759 –2763)被选VIP文章。

　　相关研究工作得到了国家科技部973计划、国家自然科学基金委（项目批准号：21525206, 21222210, 21472202）、中央高校基本科研业务费专项资金等的支持。

　　参考文献

　　(1)Pšenčík, J.; Ma, Y.-Z.; Arellano, J. B.; Hála, J.; Gillbro, T. Excitation energy transfer dynamics and excited-state structure in chlorosomes of Chlorobium phaeobacteroides. Biophys. J. 2003, 84, 1161-1179.

　　(2)Brixner, T.; Mančal, T.; Stiopkin, I. V.; Fleming, G. R. Phase-stabilized two-dimensional electronic spectroscopy. J. Chem. Phys. 2004, 121, 4221.

　　(3)Engel, G. S.; Calhoun, T. R.; Read, E. L.; Ahn, T.-K.; Mančal, T.; Cheng, Y.-C.; Blankenship, R. E.; Fleming, G. R. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature 2007, 446, 782-786.

　　(4)Mimuro, M.; Nozawa, T.; Tamai, N.; Shimada, K.; Yamazaki, I.; Lin, S.; Knox, R. S.; Wittmershaus, B. P.; Brune, D. C.; Blankenship, R. E. Excitation energy flow in chlorosome antennas of green photosynthetic bacteria. J. Phys.Chem. 1989, 93, 7503-7509.

　　(5)Dostál, J.; Mančal, T.; Augulis, R..; Vácha, F.; Pšenčík, J.; Zigmantas, D. Two-dimensional electronic spectroscopy reveals ultrafast energy diffusion in chlorosomes. J. Amer. Chem. Soc. 2012, 134, 11611-11617.

　　(物理所供稿)