研究人员发现调节光合作用的量子开关

光合作用是植物利用太阳能将二氧化碳转化为有机化合物的关键过程。光捕获复合物 II (LHCII) 是与蛋白质结合的色素分子的复合物。它在两个主要功能之间切换——在高光强度下通过非光化学猝灭将有害的多余光能以热量的形式消散，并在低光下以几乎单位效率将吸收的光转移到反应中心。

生物工程研究表明，加速这两种功能之间的转换可以提高光合作用效率，例如据报道大豆产量可提高高达33%。然而，LHCII 中激活这种变构调节的原子级动态结构变化此前尚未阐明。

在这项研究中，中国科学院物理研究所翁宇翔研究员带领的研究人员与深圳湾实验室高家丽教授团队合作，结合单粒子冷冻电镜(cryo-EM)研究LHCII 在原子分辨率下的动态结构，利用多态密度泛函理论 (MSDFT) 计算光合色素分子之间的能量转移，以确定分子间能量转移的光合色素量子开关。

作为他们工作的一部分，他们报告了一系列六种冷冻电镜结构，包括溶液中 LHCII 的能量转移状态以及中性和酸性条件下膜纳米盘中横向限制的 LHCII 的能量猝灭状态。

这些不同结构的比较表明，LHCII 在酸化时会发生构象变化。仅当 LHCII 被限制在膜纳米盘中时，这种变化才会以变构方式改变荧光猝灭位点叶黄素 1 (Lut1)-叶绿素 612 (Chl612) 的色素间距离，从而导致 Lut1 猝灭激发的 Chl612。因此，侧压限制的LHCII(例如聚集的LHCII)是非光化学猝灭(NPQ)的先决条件，而酸诱导的构象变化增强了荧光猝灭。通过冷冻电镜结构和已知淬灭态晶体结构的MSDFT计算，结合瞬态荧光实验，揭示了LHCII以Lut1-Chl612距离为关键因素的重要量子开关机制。

这个距离调节能量转移量子通道，以响应 LHCII 上的侧向压力和构象变化，也就是说，其临界距离 5.6 Å 的轻微变化将允许光捕获和过量能量耗散之间的可逆切换。这种机制能够快速响应光强度的变化，确保光合作用的高效率和以 LHCII 作为量子开关的平衡光保护。

此前，这两个研究小组曾合作进行分子动力学模拟和超快红外光谱实验，并提出LHCII是一种变构调节的分子机器。他们目前的实验冷冻电镜结构证实了之前理论上预测的 LHCII 的结构变化。