[所屬分類:行業(yè)動(dòng)態(tài)] [發(fā)布時(shí)間:2023-9-22] [發(fā)布人:邵玉倩] [閱讀次數(shù):] [返回]

Qbics計(jì)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(bào)
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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(jì)算和冷凍電鏡實(shí)驗(yàn)的研究揭示了光合作用中一個(gè)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(shí)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(shí)間內(nèi)對(duì)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(shí)驗(yàn)室量子生物學(xué)高加力團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院物理研究所超快光譜翁羽翔團(tuán)隊(duì)合作完成，近日發(fā)表在《自然—植物》上。
研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，運(yùn)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(duì)應(yīng)在不同外界光照條件下的變化。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)避免光能對(duì)細(xì)胞的損傷。
此前，高加力團(tuán)隊(duì)與翁羽翔團(tuán)隊(duì)合作，通過超快紅外光譜實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算預(yù)測了LHCII是一個(gè)別構(gòu)調(diào)控的分子機(jī)器。近期，合作團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與此前的理論計(jì)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(shí)驗(yàn)室研發(fā)的計(jì)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(jì)算和多尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬、分子對(duì)接和藥物設(shè)計(jì)。
Qbics的理論計(jì)算和不同條件下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)對(duì)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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