耶鲁大学领导的一个研究小组发现了一种在自然界中发现的分子“装置”，它可以收集特定的阳光光谱，将其转化为化学能。

在耶鲁大学的 Gary Brudvig 和 Christopher Gisriel 以及宾夕法尼亚州立大学的 Donald Bryant 领导的一项研究中，研究人员描述了一种在称为蓝细菌的光合生物体内形成的螺旋形纳米管结构。

这种结构的发现为了解大自然如何在具有挑战性的条件下收集和储存光能提供了新的见解——研究人员试图模仿这种结构来开发新的太阳能技术和更具弹性的作物。

该研究发表在《科学进展》杂志上。其他作者包括耶鲁大学、宾夕法尼亚州立大学、纽约城市大学和阿姆斯特丹自由大学的研究人员。

螺旋天线复合体的三个不同视图。右侧面板显示其尺寸。（C.吉斯里尔）

根据他们的发现，螺旋形纳米管从光谱的远红色部分收集光子，并在光合作用过程中将光子转化为化学能。这些微小的纳米管“装置”部署在低光环境中，蓝藻在这里与其他蓝藻和各种光合细菌竞争它们能找到的每个阳光光子。

“蓝藻是微观光合生物，是适应的大师，”Brudvig 实验室的博士后助理、该研究的第一作者 Gisriel 说。“它们存在于每一个可以想象的栖息地，从沙漠地壳和高盐度湖泊到温泉和黑暗洞穴。”

研究人员发现，在弱光条件下，某些种类的蓝藻会激活一个基因簇，从而启动远红光藻胆蛋白的产生。这些藻胆蛋白将自身组装成螺旋形纳米管，这与之前发现的产生圆柱形结构的类似蛋白质不同。研究人员说，圆柱形结构从太阳光谱中的可见光颜色（例如黄色和橙色）中收集光子，而螺旋形纳米管从太阳光谱中不可见的远红色部分收集光子。

尽管成分蛋白质在进化上密切相关，但它们的成分在结构上是不相容的，这使得这些蓝藻能够同时组装两种互补类型的光收集装置——当光是生长的限制资源时，这是一个明显的优势。

“植物、藻类和蓝藻等光合生物是地球生命不可或缺的组成部分，”耶鲁大学艺术与科学学院本杰明西利曼化学教授兼耶鲁大学西校区能源科学研究所所长布鲁德维格说。“它们是我们生物圈中几乎所有支持生命的能量的入口，它们展示了用于将光能转化为化学能的多种分子机器。大自然使用的设计原则为开发太阳能利用的人工过程提供了蓝图。”

在这项研究中，研究人员使用了两种技术来确定远红光吸收结构和功能：低温电子显微镜和时间分辨吸收光谱。

冷冻电子显微镜可以快速冻结生物分子样品并用电子照射它们以产生分子图像，使研究人员能够看到纳米管的螺旋形状以及它们的组装方式。时间分辨吸收光谱研究了一种材料在暴露于光后吸光度的变化方式，使研究人员能够追踪能量通过纳米管传输的速度以及能量所经过的路径。

“看到这些独特的藻胆蛋白的螺旋结构细节是完全出乎意料的，”Gisriel 说。

布莱恩特是该研究的资深作者。该研究的合著者是耶鲁大学分子生物物理学和生物化学系的 David Flesher；阿姆斯特丹自由大学的 Roberta Croce 和 Eduard Elias；宾夕法尼亚州立大学的 Gaozhon Shen 和 Nathan Soulier；和纽约城市学院的 Marilyn R. Gunner。

Gisriel、Brudvig、Croce 和 Bryant 是该研究的共同通讯作者。

美国能源部基础能源科学办公室、美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和荷兰科学研究组织资助了这项研究。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。