理解光合作用如何通知太阳能

绿色硫磺细菌在黑海的寒冷水域中居住。为了寻找它的孤独存在，这种生命形式从250英尺深度的微弱阳光中清除能量。

植物表现出同样出色的技巧，从太阳中收集辐射能量并将其转化为生长所必需的生物能量。这个过程 - 完成了数十亿年 - 被称为光合作用。

现在，来自亚利桑那州立大学生物设计研究所的郝岩和尼尔伍德伯里以及哈佛大学和麻省理工学院的同事探索了利用大自然的捕光秘密的新方法。他们的新研究概述了用于能量收集，转换和运输的合成系统的设计，这可能为太阳能，材料科学，纳米技术和光子学的创新指明道路。

“这项多机构协作努力展示了DNA纳米技术在未来激子网络空间控制和组织发色团方面的良好应用，”Yan说。

光移动

在“ 自然材料 ”杂志的高级在线期刊中出现的研究中，描述了一种用于聚光元件或发色团的程序化组装的系统。在植物和光合细菌等自然系统中，密集填充的生色团的空间组织对于有效的定向能量转移至关重要。这种生物系统以精确的方式将发色团排列在由蛋白质组成的刚性支架上。

事实上，地球上的所有生命都直接或间接地依赖于光合作用。使用它的生物有效地将来自受体的太阳能传递到能够利用能量的反应中心 - 这种能力很容易与最有效的人造太阳能电池相媲美。

了解植物和光合微生物中自然光捕获系统的努力至少可以追溯到一个世纪。尽管这些现象已被广泛理解，但细节变得复杂，创造合成类似物的挑战也很大。

植物通过将撞击其发色团的光的光子转换成称为激子的另一种形式的能量来进行光合作用。激子是分子的能量状态，或者是在被光吸收激发后紧密耦合的分子组。激子在自然光合作用和复制过程的研究工作中都是有价值的，因为它们可以将能量从一个分子带到另一个分子，这些能量最终可以用来驱动电子的运动。

随着社会从化石燃料的使用过渡，预计太阳能将在下个世纪为全球能源供应做出重大贡献。为实现这一目标，研究人员必须学会如何以最低的成本以最低的成本捕获，转移和储存太阳能。

从自然中设计

在目前的研究中，对特定范围的光能有响应的染料分子用作合成发色团。通过使用DNA作为支架，可以精确控制染料分子的相对位置，更好地模拟自然系统。

该DNA支架可以从6条单链DNA自组装，其碱基配对特性使其形成所需的结构。该形式已成为DNA纳米技术领域的支柱，被称为双交叉或DX瓦。它通常用作编程合成DNA组装的基本构件。

所概述的方法允许对发色团的最佳排列进行建模，产生光捕获电路，该电路能够沿着DNA结构有效地携带被吸收光子的能量，并且沿途具有最小的能量损失。

“能够模拟和构建分子电路以收集光能并以受控方式移动它，为各种由光源驱动和控制的纳米级设备的设计和开发打开了大门，”伍德伯里说。

得到的合成电路允许以类似于自然光捕获系统的方式巧妙地调节发色团的吸收光谱。这可以部分地通过精确控制染料分子的取向和它们彼此的距离来实现。

量子跃进

最近，研究人员已经确定，自然光合系统成功的部分原因在于属于量子世界的古怪物理效应。事实证明，在含有多个发色团紧密堆积在一起的光合生物中，可以在分子之间共享光激发。这一特征 - 称为量子相干 - 可以显着提高能量转移效率。这是植物和光合细菌如此擅长的原因之一。

生物系统和纳米机器在捕获光和传输能量方面的有效性归因于光活性分子的高度有序的纳米级结构。在过去的几十年中，使用DNA作为模板将有机染料等功能元素排列成精确的阵列已经快速发展。

在目前的研究中，利用DNA和发色团的自组装特性来精确确定DX-瓦片上J-聚集发色团组件的位置。这些J-聚集发色团组件具有类似于光合紫色细菌所使用的自然光捕获天线的聚光特性。

第一步是确定发色团染料聚集体的大小范围，这些聚集体可以在一段双链DNA上成功自组装，同时仍保留有效的能量转移特性。建模确定了容纳稳定的发色团J聚集体所需的最小DNA长度是8个碱基对。

接下来，使用量子动力学原理设计，建模和优化由布置在基于DX的瓦片上的四个发色团聚集体组成的电路，以指导DNA DX瓦片内多个离散染料聚集体的合理组装。通过计算探索发色团聚集体以鉴定显示快速激子传输性质的序列设计。

然后合成了最佳电路设计，并使用复杂的荧光光谱法精确表征结果。进一步的研究试图精确地表征单个J-聚集体内发色团的分子组织。

研究人员估计，每8个碱基对DNA片段就会聚集6个染料分子，这与早期对DNA双螺旋梯每转8-12个染料分子的估计结果非常吻合。确定2个碱基对的分离距离以提供相邻发色团聚集体之间的最佳激子耦合。得到的电路显示能量传输的属性与建模预测一致。

未来之光

这一成功再次证明了自下而上的纳米级架构组装方法的强大功能和多功能性。具体而言，像所描述的那样的激子电路的设计可以导致除了光捕获技术之外的新应用，包括信息和通信技术的创新，以及环境，运输，医疗保健，制造和能源领域的进步。