想象一下，一列火车沿着铁轨开到一个转换点，在那里它可以向左或向右开——它总是向右开。
光合作用生物也有类似的开关点。阳光被吸收后，能量迅速转移到一种叫做反应中心的蛋白质上。从这一点上，电子可以移动到a支(或“右轨道”)的一组分子上，也可以移动到b支(“左轨道”)的一组相同的分子上。
(图片:iStockphoto)位于圣路易斯的华盛顿大学和阿贡国家实验室的一项新研究引导电子沿着它们通常不走的轨道前进，这推动了对光合作用最早的光驱动事件的理解。研究结果发表在12月31日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
“在细菌的反应中心，一个电子100%的时间都在流向分子的a分支。我们已经让它在90%的时间里变成了b分支分子，”艺术与化学研究教授Christine Kirmaier说科学。
“毕竟，如果你认为你了解火车和轨道的工作原理，为什么你不能让火车向左而不是向右行驶呢?”这就是我们所做的。
”是阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)生物科学部门的生物物理学家，也是这篇论文的另一位主要作者。
他说:“我们想让它们之间的转换成为一种更容易理解的现象，这样我们就可以很容易地将电子(请原谅我的双关语)传导到生物过程中的任何目的地。”“目前，我们正在控制允许电子穿过生物膜的特性——这是在这种生物体内从阳光中获取能量的第一步。”
再造的途径
植物、藻类和光合细菌把阳光的能量转换成电荷分离单元，用来为地球上的生命过程提供能量。它们以一种非常特殊的方式进行:这些生物的反应中心有两种类似镜像的蛋白质和色素辅因子的排列方式，即a侧和B侧。这些链中只有一条是活动的，即A侧，而B侧是静止的。
KirmaierKirmaier与华盛顿大学的化学教授Dewey Holten以及Argonne国家实验室的团队设计了许多次的光合突变体，目标是用B分支实现电荷分离。这项新研究重新设计了一种紫色光合细菌的途径，这种细菌是自然’s太阳能电池中的一种。
“使用分子生物学，我们一直在改变色素周围的氨基酸，试图找到使B分支工作的神奇组合，”她说。
游戏的目的是进行结构上的改变，使A侧或正常路径上的电子转移变得不那么理想，同时，加速B侧的反应。
研究人员能够通过在a或B侧的特定靶位上测试所有可能的氨基酸，找到一种或多种提高B侧产量的氨基酸，从而进一步推进这个反复试验的过程。然后他们将“hit”在突变背景中向前携带，以探测下一个目标位置，等等。
“这是出乎意料的，”科米尔说。“我们选择了一个位点，在我们最好的突变背景之一，把所有20个氨基酸放在那里——其中一个给了我们90%的产量。”
“这是一个突破性的成就,每个人都在这个领域一直积极试图找出几十年来,自从我们第一次看到这两个轨道在一个引人注目的结构性研究自然近35年前,“黛博拉·k·汉森说生物科学部门,阿贡国家实验室,另一个美国科学院院刊》上发表了一篇论文的主要作者。
反思光合作用的历史
这项新的工作阐明了控制有效的、光诱导的电子转移的基本结构-功能原理。
研究人员说，这些知识可以帮助设计生物混合系统和生物灵感系统来进行能量转换和储存。这些发现还将引发更多的实验和分析。
霍尔顿说:“研究结果提出了很多问题，需要什么才能实现单向电荷分离。”
在自然界中，紫色细菌通过两步的过程进行初始电荷分离，这个过程发生在几万亿分之一秒内。但是team’s的新B-branch解决方案获得了几乎相同的产量，尽管它使用了一个串联一步法，需要5-10倍的时间。
Holten说:“在光合作用的最初历史中，快速的两步和缓慢的一步的结合可能产生80%或90%的产量，然后，随着时间的推移，它优化了。”
资助:这项研究由美国能源部资助
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://source.wustl.edu/2019/12/switching-tracks/