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　　阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和耶魯大學(xué)的研究人員首次揭示了一種光合混合物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使清潔能源生產(chǎn)取得了進(jìn)展。

　　光合作用是將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為地球上生命所必需的化學(xué)能的最有效的自然過(guò)程之一。被稱為光系統(tǒng)（photosystems）的蛋白質(zhì)對(duì)這一過(guò)程至關(guān)重要，負(fù)責(zé)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

　　將其中一種稱為光系統(tǒng)I（PSI）的蛋白質(zhì)與鉑納米粒子結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出一種生物混合催化劑。鉑納米粒子是一種可以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫（一種寶貴的清潔能源）的微觀粒子。也就是說(shuō)，PSI吸收的光驅(qū)動(dòng)鉑納米粒子產(chǎn)生氫氣。

　　“現(xiàn)在直接看到了我們已經(jīng)研究了13年的系統(tǒng)真的很令人興奮。”——Lisa Utschig， 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家。

　　在最近的一項(xiàng)突破中，美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和耶魯大學(xué)的研究人員已經(jīng)確定了PSI生物混合太陽(yáng)能燃料催化劑的結(jié)構(gòu)。在阿貢超過(guò)13年的開創(chuàng)性研究的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了生物混合結(jié)構(gòu)的第一個(gè)高分辨率視圖，使用一種稱為冷凍電鏡（cryo-EM）的電子顯微鏡技術(shù)。隨著結(jié)構(gòu)信息的掌握，這一進(jìn)步為研究人員開發(fā)具有更高性能的生物混合太陽(yáng)能燃料系統(tǒng)打開了大門，這將提供傳統(tǒng)能源的可持續(xù)替代品。

　　PSI是一種大型蛋白質(zhì)復(fù)合物，存在于植物、藻類和光合細(xì)菌中。這種蛋白質(zhì)在捕獲陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為能量方面起著至關(guān)重要的作用。比較獨(dú)特的是，PSI能夠非常有效地將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量——蛋白質(zhì)每吸收一個(gè)光子，幾乎總能產(chǎn)生一個(gè)電子。然后，這些電子可以轉(zhuǎn)移到生物雜化物的結(jié)合鉑納米粒子上，從而促進(jìn)氫氣的產(chǎn)生。

　　在早期的工作中，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家麗莎·烏茨希格（Lisa Utschig）能夠利用PSI操縱光合作用并生產(chǎn)氫燃料。現(xiàn)在，她和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠詳細(xì)地看到PSI生物雜交體的結(jié)構(gòu)。?

　　Utschig說(shuō)，“能夠直接看到我們已經(jīng)研究了13年的系統(tǒng)真的很令人興奮，盡管一些研究已經(jīng)探索了PSI生物雜化催化劑的特性，但研究人員還不知道鉑納米顆粒附著在蛋白質(zhì)上的位置。利用高分辨率低溫電鏡，研究人員能夠更徹底地研究生物雜化物的結(jié)構(gòu)，并準(zhǔn)確地找到納米顆粒與PSI結(jié)合的位置。”

　　她說(shuō)，“我們假設(shè)納米粒子在PSI的電子轉(zhuǎn)移伙伴連接的地方結(jié)合，但結(jié)構(gòu)顯示實(shí)際上有兩個(gè)點(diǎn)位。這是非常令人驚訝的。”

　　有了這些結(jié)構(gòu)信息，研究人員現(xiàn)在可以開始優(yōu)化納米顆粒如何附著和相互作用，以進(jìn)一步提高催化效率。他們可以通過(guò)改變蛋白質(zhì)特性和調(diào)整納米顆粒來(lái)設(shè)計(jì)這種生物雜交體。

　　Utschig說(shuō)：“在分子水平上看到生物能源，看到人造粒子和天然蛋白質(zhì)如何結(jié)合在一起產(chǎn)生能量，真是太神奇了！”

　　這項(xiàng)工作的其他貢獻(xiàn)者包括Christopher J. Gisriel， Tirupathi Malavath, tiananyin Qiu, Jan Paul Menzel, Victor S. Batista和Gary W. Brudvig。

　　研究的結(jié)果發(fā)表在《自然通訊》上。在本研究中，生物混合系統(tǒng)的合成、設(shè)計(jì)和冷凍電鏡（cryo-EM）由美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室資助，冷凍電鏡由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院普通醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所額外資助。

　　（素材來(lái)自：Argonne National Laboratory 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）