尽管光合作用是世间万物赖以生存的基础，但是，科学家至今仍对这一生物学过程中的一些关键问题心存疑惑。不过，美国科学家进行的一项最新研究，揭示出在光合作用最初的一瞬间，反应中心的蛋白质高度协调的运动过程对电子转移的作用，使人们对光合作用的机制有了新的认识和理解。该研究成果发表在5月4日的《科学》杂志上。
领导该研究的是美国亚利桑那州立大学（Arizona State University，ASU）光合作用研究中心的Neal Woodbury，他的小组发现了只有百万分之一秒的光反应过程的最初百万分之一时间尺度上的蛋白质作用。
通过对最早的光合细菌之一——球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）进行深入研究，Woodbury和同事试图揭示叶绿体类囊体膜产生突变，从而“扭曲”分子间电子转移关系的物理机制。他们的研究主要集中在反应中心区域，在这里，光能被特定的叶绿素蛋白捕获并加以吸收，先转化为电能，再通过一系列反应转化为化学能。
Woodbury小组中一位博士后研究员Haiyu Wang发现，不同类囊体膜突变具有一个共同点：电子移动到反应中心的速度很相似，这使得他断定有某种潜在的物理机制介入其中。
由于电子初始转移的时间尺度极短，很少有研究小组能够测定这一过程。不过，在最新的研究中，研究人员利用亚利桑那州立大学的超快激光设备（ultrafast laser facility），捕获了电子转移“闪电”过程的高速运动图像。
研究发现，反应中心区域的蛋白运动使得植物或者细菌即使不是在最佳条件下，也能十分有效地捕获并利用光能。
美国国家科学基金会（NSF）分子和细胞生物学部项目主管Kamal Shukla说，“这一开创性的研究使我们对光合作用的根本机制有了新的认识。而加深对于这一基本生物学过程的理解将产生重大的社会效益。”
Shukla表示，最新的研究成果对于有机太阳能电池的发展无疑是一个好消息。有别于传统的硅太阳能电池，有机太阳能电池的设计灵感基于光合作用原理，通过生物系统的化学反应将太阳能转化为电能。它的成本将更低，具有潜在的商业前景，而且能量转化效率也要大大高于传统的太阳能设备。（科学网 任霄鹏/编译）
原始出处:
Science 4 May 2007: Vol. 316. no. 5825, pp. 747 - 750
DOI: 10.1126/science.1140030
Reports
Protein Dynamics Control the Kinetics of Initial Electron Transfer in Photosynthesis
Haiyu Wang,1,2 Su Lin,1,2 James P. Allen,2 JoAnn C. Williams,2 Sean Blankert,1,2 Christa Laser,1,2 Neal W. Woodbury1,2*
The initial electron transfer dynamics during photosynthesis have been studied in Rhodobacter sphaeroides reaction centers from wild type and 14 mutants in which the driving force and the kinetics of charge separation vary over a broad range. Surprisingly, the protein relaxation kinetics, as measured by tryptophan absorbance changes, are invariant in these mutants. By applying a reaction-diffusion model, we can fit the complex electron transfer kinetics of each mutant quantitatively, varying only the driving force. These results indicate that initial photosynthetic charge separation is limited by protein dynamics rather than by a static electron transfer barrier.
1 Biodesign Institute, Arizona State University, 1001 South McAllister Avenue, Tempe, AZ 85287–5201, USA.
2 Department of Chemistry and Biochemistry, Arizona State University, Tempe, AZ 85287–1604, USA.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: Nwoodbury@asu.edu
