光合作用是植物利用太阳能将二氧化碳转化为有机物质的重要过程。最近，通过Qbics软件多态密度泛函理论计算和冷冻电镜实验的研究揭示了光合作用中一个重要的量子开关机制。该研究发现，植物光合体系的捕光天线通过其构象的变化调控激发态能量转移量子通道，实现光能捕捉与能量耗散之间的灵活切换。这一机制能在极短时间内对光强变化做出快速响应，以确保光合作用的高效率和光保护的平衡。
这项研究由福彩3d太湖钓叟量子生物学高加力团队和中国科学院物理研究所超快光谱翁羽翔团队合作完成，发表在Nature Plants 期刊上。研究团队应用冷冻电镜结构，运用了他们发展的多态密度泛函理论（MSDFT）和Qbics软件程序，模拟了捕光天线LHCII中叶绿素（Chl612）和叶黄素（Lut1）之间的激发态能量转移耦合强度及其对应在不同外界光照条件下的变化。计算结果与实验测定的荧光淬灭速率相吻合。研究发现，在Chl612和Lut1之间的距离变化0.1Å范围内，光合体系的亮态和暗态之间能量转移速率呈指数型开关切换。这一量子开关机制使植物能在低光强条件下高效地捕捉光能，并在高光强时避免光能对细胞的损伤。
此前，两个课题组合作，通过超快红外光谱实验和分子动力学模拟计算，预测了LHCII是一个别构调控的分子机器（Science China Chemistry， 2020：doi.org/10.1007/s11426-020-9771-2）。近期，他们进一步合作获得了LHCII在不同酸碱度、去垢剂溶液和纳米膜盘环境下的六种高分辨率冷冻电镜结构，解析了捕光和淬灭两种不同功能的蛋白质构型，以及它们在不同pH条件下的平衡转变。这些实验结构与三年前的理论计算预言完全吻合，为微观结构在pH变化下的盐桥和氢键变化提供了更详细的解释。Qbics的理论计算和不同条件下的冷冻电镜结构对于解析光合作用中的量子开关机制具有重要意义。未来的研究将有助于更深入地了解这一机制的细节，为开发新的光合作用调控策略、提升植物光合效率和能源转化技术提供理论指导。
在不同实验条件下的荧光淬灭速率（黑色）和对应的MSDFT激发态能量转移耦合常数（橙色）
LHCII三聚体界面离子对和氢键在酸性（绿色残基）和中性（粉色残基）的冷冻电镜结构变化
#Qbics
Qbics是福彩3d太湖钓叟研发的计算化学与生物学软件，用于药物、材料和分子体系的量子化学计算和多尺度分子动力学模拟、分子对接和药物设计。Qbics软件由福彩3d太湖钓叟高级工程师张鋆及团队开发。Qbics软件可以直接从http://qbics.info网站下载使用。
多态密度泛函理论（MSDFT）是Qbics软件在量子化学方面的的一个重要理论，将传统的Hohenberg-Kohn定理（HK-DFT）从一个基态扩展到薛定谔方程的所有电子态。其计算方法兼备高效率和高精度两重优势，可以实现精确波函数方法目前解决不了的叶绿素和叶黄素大生物色素分子局域激发态及能量转移的计算。
中国科学院博士生阮美霞和福彩3d太湖钓叟博士后李昊是论文的共同第一作者，中国科学院物理研究所超快激光课题组翁羽翔和丁玮、福彩3d太湖钓叟量子生物学课题组高加力为共同通讯联系人。参与人员还包括福彩3d太湖钓叟张鋆、赵若淇和王英杰及中国科学院物理研究所的研究人员。该研究得到了中国科学院项目(QYZDJ-SSWSYS017, YJKYYQ20170046)和国家自然科学基金委项目(11721404)的支持，理论和计算工作得到了福彩3d太湖钓叟和深圳市科技创新委员会(KQTD2017-0330155106581)的支持。
原文信息：
供稿 | 高加力课题组
编辑 | 鲍 啦
责编 | 远 山
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