Abstract |
光合作用捕光系统中，色素间的相互作用往往比较强，共享分子轨道；激发其中任何一个色素，它的激发态都会发生离域，形成这些色素分子激发态的叠加，即相干叠加态。如果光合系统存在有效的量子相干态传能机制，那么量子相干态的寿命必须和传能时间相匹配才能发挥作用。报告介绍课题组近年在光合作用原初过程量子生物学方面的工作。首先介绍高等植物捕光天线LHCII如何响应环境光强变化、通过蛋白质动态结调控高效捕光和光保护（非光学淬灭）状态可逆切换的分子机制，即实现由Forster 传能到Dexter能量淬灭的量子开关。其次介绍海藻捕光天量子相干态传能的二维电子态相干光谱研究。 通过二聚体激子-振动耦合理论推演，发现如果振动能量和激子能级劈裂能发生共振或者准共振时，二聚体的对称和反对称集体振动模就会实现位相同步，并可以获得以下实验可检验的推论：（1）由于反对称集体振动模的耗散，与二聚体激子态能级劈裂发生共振的相干振动模强度只有单体中的一半(强耦合体系，若耦合体系和单体分子接近)；（2）与二聚体激子态能级劈裂发生共振的振动模不参与低能激子态动态斯托克斯位移，即不参与能量耗散；（3）与单体相比，二聚体电子-振动耦合量子相干态的寿命会延长。上述三个理论预测分别为重组别藻蓝蛋白r-APC 三聚体（含三对色素二聚体）和APC亚基（只含一个色素）的二维电子光谱所证实。进而通过对蓝藻捕光天线蛋白PC620的二维电子光谱研究，为APC中观测到的激子-振动耦合量子相位同步提供了一个的绝佳反例。 PC620与别藻蓝蛋白APC中色素对在结构上极为相似，具有相同的分子间距以及理论预测的分子间耦合强度，区别在于其中的一个色素分子发生了构象扭曲，导致电子离域态被破坏。最近又在隐芽海藻捕光天线蛋白phycoerythrin 545（PE545）再一次证实量子相位同步延长量子相干态的机制（JPC，2025）。上述三个工作从正反两个方面确证了量子相位同步保护电子-振动相干态、抵御环境涨落噪声的机制。是大自然应用量子力学优化传能路径的杰作。该原理不仅仅适用于光合体系，也必为人工设计的量子相干系统所借鉴。 参考文献: [1] Ruan, M., et al., Cryo-EM structures of LHCII in photo-active and photo-protecting states reveal allosteric regulation of light harvesting and excess energy dissipation. Nature plants. 2023,9,1547-1557. [2] Li, H. et al., Dynamical and allosteric regulation of photoprotection in light harvesting complex II. Science China-Chemistry 2020, 63 (8), 1121-1133. [3]Zhu ,et al.,Quantum phase synchronization via excitonvibrational energy dissipation sustains longlived coherence in photosynthetic antennas. Nat. Commun., 2024, 15, 3171. [4] Wang，J. et al., Incoherent ultrafast energy transfer in phycocyanin 620 from Thermosynechococcus vulcanus revealed by polarization-controlled two dimensional electronic spectroscopy. J. Chem. Phys. 2024, 161, 085101; doi: 10.1063/5.0222587 [5] Wang, J. et al., Quantum phase synchronization revealing few-hundred femtosecond coherence in cryptophyte phycoerythrin 545 antenna from exciton-vibrational coupling, J. Chem. Phys.2025, 162, 000000 ; doi: 10.1063/5.0259190. |
