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Qbics計算揭示光合作用中的量子開關(guān)機(jī)制
作者：刁雯蕙 來源：中國科學(xué)報
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
光合作用是植物利用太陽能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)的重要過程。最近，通過Qbics軟件多態(tài)密度泛函理論計算和冷凍電鏡實驗的研究揭示了光合作用中一個重要的量子開關(guān)機(jī)制。該研究發(fā)現(xiàn)，植物光合體系的捕光天線通過其構(gòu)象的變化調(diào)控激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移量子通道，實現(xiàn)光能捕捉與能量耗散之間的靈活切換。這一機(jī)制能在極短時間內(nèi)對光強(qiáng)變化做出快速響應(yīng)，以確保光合作用的高效率和光保護(hù)的平衡。
該研究由深圳灣實驗室量子生物學(xué)高加力團(tuán)隊和中國科學(xué)院物理研究所超快光譜翁羽翔團(tuán)隊合作完成，近日發(fā)表在《自然—植物》上。
研究團(tuán)隊?wèi)?yīng)用冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，運用了他們發(fā)展的多態(tài)密度泛函理論和Qbics軟件程序，模擬了捕光天線LHCII中葉綠素（Chl612）和葉黃素（Lut1）之間的激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移耦合強(qiáng)度及其對應(yīng)在不同外界光照條件下的變化。計算結(jié)果與實驗測定的熒光淬滅速率相吻合。
研究發(fā)現(xiàn)，在Chl612和Lut1之間的距離變化0.1?范圍內(nèi)，光合體系的亮態(tài)和暗態(tài)之間能量轉(zhuǎn)移速率呈指數(shù)型開關(guān)切換。這一量子開關(guān)機(jī)制使植物能在低光強(qiáng)條件下高效地捕捉光能，并在高光強(qiáng)時避免光能對細(xì)胞的損傷。
此前，高加力團(tuán)隊與翁羽翔團(tuán)隊合作，通過超快紅外光譜實驗和分子動力學(xué)模擬計算預(yù)測了LHCII是一個別構(gòu)調(diào)控的分子機(jī)器。近期，合作團(tuán)隊獲得了LHCII在不同酸堿度、去垢劑溶液和納米膜盤環(huán)境下的六種高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，解析了捕光和淬滅兩種不同功能的蛋白質(zhì)構(gòu)型，以及它們在不同pH條件下的平衡轉(zhuǎn)變。這些實驗結(jié)構(gòu)與此前的理論計算預(yù)言完全吻合，為微觀結(jié)構(gòu)在pH變化下的鹽橋和氫鍵變化提供了更詳細(xì)的解釋。
據(jù)了解，Qbics是深圳灣實驗室研發(fā)的計算化學(xué)與生物學(xué)軟件，用于藥物、材料和分子體系的量子化學(xué)計算和多尺度分子動力學(xué)模擬、分子對接和藥物設(shè)計。
Qbics的理論計算和不同條件下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)對于解析光合作用中的量子開關(guān)機(jī)制具有重要意義。未來的研究將有助于更深入地了解這一機(jī)制的細(xì)節(jié)，為開發(fā)新的光合作用調(diào)控策略、提升植物光合效率和能源轉(zhuǎn)化技術(shù)提供理論指導(dǎo)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-023-01500-2
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