Nature：0.000000000001秒！“破译”光合作用！
光合作用也称光能合成（photosynthesis），是很多植物、藻类和蓝菌等生产者利用光能把水、二氧化碳或者硫化氢等无机物转变成可以储存化学能的有机物（比如碳水化合物）的生物过程。尽管它是地球上最著名和研究最透彻的过程之一，但科学家们发现光合作用仍然有很多秘密需要被揭开。
剑桥大学化学系Jenny Z. Zhang、卡文迪许实验室Akshay Rao、Christoph Schnedermann、生物化学系Christopher J. Howe领导交叉学科团队能够以超快的时间尺度（皮秒，万亿分之一秒）在活细胞中研究光合作用——植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的过程。具体而言，研究人员使用超快光谱技术研究能量的运动，发现可以从负责光合作用的分子结构中提取电子的化学物质在初始阶段进行，而不是像以前认为的那样晚得多。这一研究“破解”了光合作用的最早阶段。这种光合作用的“重新布线”可以改善它处理过剩能量的方式，并创造新的、更有效的方式来使用它的能量。本文的研究成果可能会导致产生清洁燃料和可再生能源的新方法。相关研究以题为“Photosynthesis re-wired on the pico-second timescale”发表在《自然》杂志上。
【实验背景】
研究人员表示，光系统II和I（PSII、PSI）是驱动光合作用光反应的含有反应中心的复合体；PSII进行光驱动的水氧化，PSI进一步使收获的电子产生光能。光系统令人印象深刻的效率促使人们采取广泛的生物、人工和生物杂交的方法来“重连”光合作用，以提高生物质转化效率和新的反应途径，如H 2演变或CO 2固定。以前的方法集中在光系统终端电子受体的电荷提取上。在较早的步骤中提取电子，也许是立即从光激发的反应中心提取，将使热力学收益更大；然而，这被认为是不可能的，因为反应中心埋在光系统内至少4 nm。
【研究内容】
研究人员最初试图理解为什么一种叫做醌的环状分子能够从光合作用中“窃取”电子。醌在自然界中很常见，它们可以很容易地接受和释放电子。研究人员使用一种称为超快瞬态吸收光谱（TA）的技术来研究醌在光合蓝藻中的行为。
在光合作用的早期阶段，没有人正确研究过这种分子如何与光合作用机制相互作用。一开始，作者认为他们只是在使用一种新技术来证实人们已经知道的事情。事实证明，他们找到了一条全新的途径，进一步打开了光合作用的黑匣子。
研究人员使用超快光谱观察电子，发现发生光合作用初始化学反应的蛋白质支架是“泄漏的”，从而使电子逸出。这种渗漏可以帮助植物保护自己免受明亮或快速变化的光线的伤害。换句话说，研究人员利用体内超快速瞬时吸收（TA）光谱，证明了在早期（光激发后几皮秒）直接从光激发的PSI和PSII中提取电子，用活的蓝藻细胞或分离的光系统和外源电子介质，如2,6-二氯-1,4-苯醌（DCBQ）和甲基紫精。由于光合作用产生的电子分散在整个系统中，这意味着人们可以通过上述途径观察它们。
图 1. 外源电子介体在活细胞中以皮秒时间尺度起作用
研究人员推测，这些媒介物在最初的光激发后，会氧化外围的叶绿素色素，并参与高度脱域的电荷转移状态。这些研究结果对以前的模型提出了挑战，即光激发的反应中心在光系统蛋白支架内是绝缘的，也为研究和重连光合作用的生物技术和半人工光合作用开辟了新途径。
图 2. 醌电子介质对野生型细胞的作用
研究人员表示，能够在光合作用过程的较早阶段提取电荷，可以在操纵光合作用途径以从太阳产生清洁燃料时提高该过程的效率。此外，调节光合作用的能力可能意味着可以使作物更能耐受强烈的阳光。
图 3. DCBQ 对经过基因改造的只有一种光系统的细胞的作用
【总结】
本文结果表明，从光合作用到各种外源电子介质的体内电子转移可能直接从光系统的初始光激发状态开始，即从光合电子传输链中最早可能的步骤开始。这为重新布线生物光合作用开辟了新的可能性，并在生物光合作用和人工光合作用之间建立了联系。例如，操纵这种非经典途径，可以减轻与生物技术和农业应用中的光胁迫相关的损失，或有助于将电荷转移到电力和化学发电的替代用途中。
研究结果还表明，皮秒电荷提取途径并不局限于一类介质，这表明未来可以使用内源性介质、级联和其他生物混合方法的生物工程来扩展和优化该途径。这些结果还产生了对光合作用的新见解。与目前对激发反应中心在光系统蛋白质支架内绝缘的理解相反，DCBQ和甲基紫精的作用表明支架是渗漏的。这是细胞中失去电子的潜在重要途径，否则这些电子可能用于光合作用，并可能在光保护中发挥作用，或者是活性氧物质产生导致细胞损伤的关键原因。更一般地说，该工作强调了体内超快TA光谱测量是可行的，并显示了有关生命系统光激发动力学的丰富信息。这可能是了解光合作用生物能学及其调控的强大新工具，尤其是在光胁迫条件下。
