光合作用是植物利用太阳能将二氧化碳转化为有机物质的重要过程。最近，通过Qbics软件多态密度泛函理论计算和冷冻电镜实验的研究揭示了光合作用中一个重要的量子开关机制。该研究发现，植物光合体系的捕光天线通过其构象的变化调控激发态能量转移量子通道，实现光能捕捉与能量耗散之间的灵活切换。这一机制能在极短时间内对光强变化做出快速响应，以确保光合作用的高效率和光保护的平衡。
该研究由深圳湾实验室量子生物学高加力团队和中国科学院物理研究所超快光谱翁羽翔团队合作完成，近日发表在《自然—植物》上。
研究团队应用冷冻电镜结构，运用了他们发展的多态密度泛函理论和Qbics软件程序，模拟了捕光天线LHCII中叶绿素（Chl612）和叶黄素（Lut1）之间的激发态能量转移耦合强度及其对应在不同外界光照条件下的变化。计算结果与实验测定的荧光淬灭速率相吻合。
研究发现，在Chl612和Lut1之间的距离变化0.1?范围内，光合体系的亮态和暗态之间能量转移速率呈指数型开关切换。这一量子开关机制使植物能在低光强条件下高效地捕捉光能，并在高光强时避免光能对细胞的损伤。
此前，高加力团队与翁羽翔团队合作，通过超快红外光谱实验和分子动力学模拟计算预测了LHCII是一个别构调控的分子机器。近期，合作团队获得了LHCII在不同酸碱度、去垢剂溶液和纳米膜盘环境下的六种高分辨率冷冻电镜结构，解析了捕光和淬灭两种不同功能的蛋白质构型，以及它们在不同pH条件下的平衡转变。这些实验结构与此前的理论计算预言完全吻合，为微观结构在pH变化下的盐桥和氢键变化提供了更详细的解释。
据了解，Qbics是深圳湾实验室研发的计算化学与生物学软件，用于药物、材料和分子体系的量子化学计算和多尺度分子动力学模拟、分子对接和药物设计。
Qbics的理论计算和不同条件下的冷冻电镜结构对于解析光合作用中的量子开关机制具有重要意义。未来的研究将有助于更深入地了解这一机制的细节，为开发新的光合作用调控策略、提升植物光合效率和能源转化技术提供理论指导。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-023-01500-2
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