氧電極萬億分之一秒！“破解”了光合作用最初階段！
光合作用（photosynthesis）是很多植物、藻類和藍(lán)菌等生產(chǎn)者利用光能把水、二氧化碳或者硫化氫等無機(jī)物轉(zhuǎn)變成可以儲(chǔ)存化學(xué)能的有機(jī)物（比如碳水化合物）的生物過程。盡管它是地球上最著名和研究最透徹的過程之一，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光合作用仍然有很多秘密需要被揭開。
英國(guó)劍橋大學(xué)Jenny Z. Zhang等研究人員使用超快光譜技術(shù)研究能量的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)可以從負(fù)責(zé)光合作用的分子結(jié)構(gòu)中提取電子的化學(xué)物質(zhì)在初始階段進(jìn)行。本研究“破解”了光合作用的最初階段。這種光合作用的“重新布線”可以改善光合作用處理過剩能量的方式，并創(chuàng)造新的更有效的方式來利用其能量。研究?jī)?nèi)容“Photosynthesis re-wired on the pico-second timescale”發(fā)表在《nature》雜志上(IF：69.504)。
光系統(tǒng)II和I（PSII和PSI）是包含反應(yīng)中心復(fù)合體，這些復(fù)合體驅(qū)動(dòng)光合作用的光反應(yīng)。PSII進(jìn)行光驅(qū)動(dòng)的水氧化，PSI進(jìn)一步使捕獲的電子產(chǎn)生光能。光系統(tǒng)令人印象深刻的效率促使人們采取廣泛的生物、人工和生物雜交的方法來“重連”光合作用，以提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率和新的反應(yīng)途徑，如H2釋放或CO2固定。以前的方法集中在光系統(tǒng)終端電子受體的電荷提取上。理想情況下，可以從光激發(fā)反應(yīng)中心進(jìn)行電子提取，以實(shí)現(xiàn)最大的熱力學(xué)增益。然而，這被認(rèn)為是不可能的，因?yàn)榉磻?yīng)中心被埋在距細(xì)胞質(zhì)面約4nm的PSII內(nèi)和5nm的PSI內(nèi)。
最初，研究人員試圖探究為什么一種叫做醌的環(huán)狀分子能夠從光合作用中“竊取”電子。醌在自然界中很常見，它們可以很容易地接收和釋放電子。研究人員使用一種稱為超快瞬態(tài)吸收光譜（TA）的技術(shù)來研究醌在光合藍(lán)藻中的行為。
研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生光合作用初始化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)支架是“泄漏的”，從而使電子逸出。這種滲漏可以幫助植物保護(hù)自己免受強(qiáng)光或快速變化的光線的傷害。研究人員利用體內(nèi)超快速瞬時(shí)吸收（TA）光譜，證明了在早期（光激發(fā)后幾皮秒）直接從光激發(fā)的PSI和PSII中提取電子。
圖1. 外源電子介體在活細(xì)胞中以皮秒時(shí)間尺度起作用
本文中，作者使用英國(guó)漢莎公司生產(chǎn)的液相氧電極測(cè)定系統(tǒng)檢測(cè)氧氣釋放實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在所有濃度和DCBQ存在的情況下，PSII繼續(xù)在體內(nèi)對(duì)水進(jìn)行氧化，這表明在加入DCBQ后，光激發(fā)產(chǎn)生空穴途徑仍然活躍。
圖2. DCBQ對(duì)野生型藍(lán)藻細(xì)胞氧氣釋放的影響研究人員推測(cè)，這些媒介物在最初的光激發(fā)后，會(huì)氧化外圍的葉綠素色素，并參與高度脫域的電荷轉(zhuǎn)移狀態(tài)。這些研究結(jié)果對(duì)以前的模型提出了挑戰(zhàn)，即光激發(fā)的反應(yīng)中心在光系統(tǒng)蛋白支架內(nèi)是絕緣的，也為研究和重連光合作用的生物技術(shù)和半人工光合作用開辟了新途徑。
圖3. 醌電子介質(zhì)對(duì)野生型細(xì)胞的作用
本文結(jié)果表明，從光合作用到各種外源電子介質(zhì)的體內(nèi)電子轉(zhuǎn)移可能直接從光系統(tǒng)的初始光激發(fā)狀態(tài)開始，即從光合電子傳輸鏈中最早可能的步驟開始。這為重新布線生物光合作用開辟了新的可能性，并在生物光合作用和人工光合作用之間建立了聯(lián)系。例如，操縱這種非經(jīng)典途徑，可以減輕與生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的光脅迫相關(guān)的損失，或有助于將電荷轉(zhuǎn)移到電力和化學(xué)發(fā)電的替代用途中。
