合成生物|《Nature Materials》：人工模仿天然光合作用

从现在开始，光合作用不再是植物和细菌的专利，人类正式宣称“我们也掌握了这项技术的使用权！”

　　

从太阳收集辐射能量并将其转化为生长所需的生物能量，这个流弊的技能经过了数十亿年的完善，如今，现代文明终于踏出了模仿它的成功一步。

它就是光合作用。

Arizona州立大学生物设计学院的Hao Yan和Neal Woodbury以及哈佛和麻省理工学院的同事最新研制了一个包括能源收集、转换和运输的生物合成系统。这项非常酷的研究将鞭策太阳能、材料科学、纳米技术和光子学等绿色能源相关领域的创新和发展。

“我们展示了一个应用DNA纳米技术为激子（excitonic）网络 ‘隔空’控制和组织发色团（chromophores）的良好示范，”Yan教授说。

光动

在光合细菌和植物等天然系统中，密集排列的发色团的空间组织对高效和定向的能量传递至关重要。

植物通过转化光波中的光子击打它们的发色团形成名为“激子”的能量形式。激子是一种被光吸收激发后分子们紧密耦合的分子能量状态。它能携带能量从一个分子传递到另一个分子，最终能量被用来驱动电子运动。

太阳能时代，人们必须学会如何在有限成本内最大限度地捕获、转移和储存太阳能。

本文，研究人员设计了一种光收集元件或发色团的程序汇编系统。这种生物系统将发色团精准且规整地排布在由生物分子组成的刚性支架上。

大自然的创造之手

使用可响应特定光能波谱的染色分子作为合成发色团，利用DNA作为支架，染色分子的相关位置可被精确控制以模拟天然系统。

这种DNA支架还能自我装配，原料是6条DNA单链，碱基配对的特性能使它们能被弯成所需形状，这种技术在DNA纳米技术领域非常流行，搜索“双交叉（double crossover）”或“DX-瓦片（DX-tile）”可以找到它们的各种应用，最常见的是编程DNA组件的基本建块。

上述方法强调了发色团的最佳排列建模，生成的光收集电路能让吸收光子的能量沿DNA结构以最小能量损耗方式传递。

由此产生的合成电路通过精确控制染料分子的方向和之间距离，允许发色团的吸收光谱以类似天然生物光收集系统的方式进行微调。

量子飞跃

最近，研究人员已经确定了天然光合成系统之所以成功的部分原因是因为量子世界中的奇特物理效应。光合生物的多重发色团由于紧密压缩，分子间可以共享光激发。这种特质被称为“量子相干（quantum coherence）”，结果表明可以显著地提高能量传递效率，这就是植物和光合细菌擅长节能的奥秘。

于是，研究人员首先鉴定了发色团染料在双链DNA上实现自组装的最佳尺寸范围。建模结果显示，容纳一个稳定的发色团J-聚合体所需的最小DNA长度是8个碱基对。

接下来，利用量子动力学原理，设计了一个由4个发色团聚集在DX瓦片上的合成电路，并对其进行建模和优化以指导DNA DX-瓦片内多个染料集合的合理装配。根据计算结果进行满足快速激子传输性能的序列设计。

最后，研究人员利用相对成熟的荧光光谱法对最佳电路结果进行精确表征。据估计，每8个DNA碱基对装配6个染料分子，结果与之前估计的每个DNA双螺旋梯上排列8-12个染料分子一致，每两个发色团相邻2个碱基对的距离为激子可提供最佳激子耦合。由此产生的真实电路的能量传输性质与模型预测结果完全匹配。

激子电路很可能引领光收集技术进入新时代，相关领域将覆盖通讯技术、环境、交通、医疗、制造业和能源等方方面面。

原文检索：
Programmed coherent coupling in a synthetic DNA-based excitonic circuit  Nature Materials  doi:10.1038/nmat5033