细菌知道如何利用量子力学来转向能量

细菌插图

光合细菌通过使用量子力学来控制能量来适应环境。

光合作用生物从太阳中获取光来产生它们生存所需的能量。一篇新发表的论文芝加哥大学研究人员揭示了他们的秘密:探索量子力学。

“在这项研究之前,科学界看到了生物系统中产生的量子签名并询问了问题,这些结果是从分子中建造的生物学的结果,或者他们有目的是什么?”yabo124Greg Engel说,化学教授和学习的高级作者。yabovip2021“这是我们第一次看到生物学积极利用量子效应。”yabo124

细菌使用量子力学规则

芝加哥大学的一群科学家发现某些细菌故意使用量子力学规则来储存其光合设备免受氧气损坏的。信用:格雷格恩格尔的插图

科学家们研究了一种叫做绿硫细菌的微生物。这些细菌需要光才能生存,但即使是少量的氧气也会破坏它们脆弱的光合作用设备。因此,当细菌遇到氧气时,它们必须找到将损害降到最低的方法。

为了研究这一过程,研究人员在不同条件下——有氧和没有氧——通过光合作用蛋白追踪能量的运动。

他们发现细菌使用称为振动混合的量子机械效应,以在两个不同的途径之间移动能量,这取决于是否存在氧气。颤音混合涉及分子彼此耦合的振动和电子特性。从本质上讲,振动如此完全混合在电子状态下,他们的身份是不可分割的。这种细菌使用这种现象来指导它需要它的能量。

杰克·希金斯和劳森·劳埃德调好了激光

芝加哥大学的科学家杰克·希金斯和劳森·劳埃德在格雷格·恩格尔的实验室对激光进行调谐。图片来源:Siddhartha Sohoni

如果没有氧气和细菌是安全的,则细菌通过在称为FMO复合物的组装和蛋白质组合中匹配两个电子状态之间的能量差,具有抗菌氯基分子的振动的能量,通过匹配两个电子状态之间的能量差。这鼓励能量流过朝向光合反应中心的“正常”途径,这填充了叶绿素。

但如果周围有氧气,这种生物就会进化到通过一条不那么直接的路径来控制能量,从而使其熄灭。(淬灭能量类似于将手掌放在振动的吉他弦上以耗散能量。)这样,细菌会损失一些能量,但会节省整个系统。

为了达到这一效果,光合作用复合体中的一对半胱氨酸残基充当触发器:它们每一个都通过失去一个质子与环境中的氧气发生反应,从而破坏了振动混合。这意味着现在能量优先通过替代路径移动,在那里它可以被安全地熄灭。这个原则有点像在高速公路上阻塞两条车道,并将一些车辆转向有更多出口的地方道路。

杰克希格斯

芝加哥大学的研究生和第一研究作者杰克·希金斯站在采集数据的激光旁边。图片来源:芝加哥大学劳森·劳埃德

“这个结果的有趣之处在于,我们看到蛋白质会根据细胞内环境的变化而开启或关闭振动偶联,”化学系研究生、该论文的主要作者杰克·希金斯(Jake Higgins)说。yabovip2021“这种蛋白质利用量子效应保护有机体免受氧化损伤。”

这些发现带来了生物学方面令人兴奋的新发现;yabo124使用一个明确的量子机制来保护系统显示了一个重要的适应和量子效应可以是重要的生存。

科学家说,这种现象可能不仅限于绿色硫细菌。随着希金斯解释的,“该机制的简单性表明它可能在进化景观中的其他光合生物中找到。如果更多的生物能够动态调节其分子中的量子机械偶联,以产生更大的生理变化,可能是我们尚未了解的本质上选择的全新效果。“

参考文献:“光合作用曲调Quantum机械混合电子和振动状态以引导Exciton Energy Transion”,Lawob T. Lloyd,Sara H. Sohail,Marco A. Allodi,John P. Otto,Rafael G. Saer,Ryan E. Wood,Sara C. Massey,Po-Chieh Ting,Robert E. Blankenship和Gregory S. Engel,2021年3月8日,美国国家科学院院刊
DOI:10.1073 / PNAS.2018240118

资助:空军科学研究办公室(AFOSR),美国国家科学基金会,美国能源部科学办公室,国防部(DoD),阿诺德和梅布尔贝克曼基金会。

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