紫细菌反应中心单体细菌叶绿素振动冷却机制的飞秒荧光光谱研究

（编辑推荐）本研究通过飞秒荧光光谱技术，首次在紫色光合细菌Rhodobacter sphaeroides突变体反应中心(RCs)中观测到单体细菌叶绿素(BChl a)的振动冷却现象。利用VR(L157)突变抑制电荷分离过程，发现Soret带激发可致BChl a瞬时升温~160 K，其荧光谱动态变窄呈现5 ps和16 ps双相特征，揭示了第一溶剂化壳层(FSS)氨基酸残基在能量耗散中的关键作用。

　　

Highlight

紫细菌反应中心内单体细菌叶绿素的振动冷却现象

Sample preparation

突变型Rhodobacter (Rb.) sphaeroides VR(L157)菌株的反应中心(RCs)通过将L157位点的缬氨酸替换为精氨酸构建，其表达载体pRKSCH和ΔLM1.1缺失株系如先前文献所述。细胞在黑暗条件下半需氧培养，RC样品悬浮于50 mM Tris-HCl缓冲液(pH 8.0)中。

Results

稳态吸收光谱显示突变体RCs在796 nm(Q_y BChl a)、761 nm(Q_y BPheo a)、589 nm(Q_x BChl a)等特征波段存在吸收峰，而天然RCs中865 nm处的BChl a二聚体Q_y带完全消失（图1）。这表明绝大多数RCs中参与形成二聚体的BChl a分子缺失。

Discussion

当BChl a被Soret带或Q_x带激发时，分别产生~13,800 cm^-1和~4,500 cm^-1的超额能量。这些能量在BChl a的405个简正模中重新分配（基于其137个原子构成），形成初始分子温度。通过分析荧光光谱宽度作为"分子温度计"，发现能量耗散呈现两阶段特征：第一阶段（更快）热量从BChl a传递至第一溶剂化壳层(FSS)，第二阶段FSS将热量传递至RCs蛋白质基质。

Conclusions

本研究证实Rba. sphaeroides RCs中BChl a在Soret或Q_x带激发后分子温度分别升高157 K或65 K，并通过荧光光谱变窄11%或4%直观呈现振动冷却过程。采用抑制电荷分离的突变体与皮秒荧光光谱联用技术，为光合作用初级过程中的能量耗散机制研究提供了新范式。