通过温度调控解析黄素氧化还原蛋白体系非平衡态电子转移机理

Understanding the mechanism of biological photo-induced electron transfer is key to realizing the transformation from solar energy to chemical energy. In some proteins, photo-induced electron transfer is coupled with dielectric relaxation of the solvent molecules in the reaction site and such dynamical effects have been described by Sumi-Marcus two-dimensional model. Recent years have observed that the short-range electron transfer occurs in the ultrafast time region (<1ps) in flavodoxin with oxidized flavin, which corresponds to the frozen region in the Sumi-Marcus two-dimensional model. With the approach of temperature modulation, we propose to combine molecular biology and ultrafast spectroscopy to elucidate the mechanism of ultrafast electron transfer in the frozen region. Experimental results from different species will be compared and interpreted according to the X-ray crystal structures. This proposal is aimed to understand how protein machines effectively utilize solar energy from the molecular level and to shed light on designing more advanced artificial systems in the future.

理解生物体系光致电子转移机理对于人们将光能有效转化为化学能有重要意义。在蛋白质中，光致电子转移反应与反应位点溶剂分子涨落弛豫可能会产生一定的耦合，这种动力学效应一般用Sumi-Marcus二维理论模型进行描述。近年来在氧化态的黄素氧化还原蛋白中发现超快时间尺度（<1ps）的电子转移反应，此时体系对应着Sumi-Marcus二维理论模型中的冷冻区，但实验得到的反应物衰减动力学与现有的Sumi-Marcus二维理论模型存在矛盾的地方。我们计划使用温度调控的手段，结合分子生物学和超快光谱学技术，解析黄素氧化还原蛋白体系冷冻区超快时间尺度的电子转移反应机理。本项目的开展致力于从分子层面上理解蛋白机器如何有效利用光能，对于未来设计合成更高效的人工体系具有启发意义。

蛋白质内的光致电子转移与溶液相的电子转移有所不同，由于蛋白框架的限制，使得电子的给体和受体之间的距离可以限制在10埃以内，因此电子转移的速率也随距离的减少而加快，进入皮秒甚至是百飞秒的范畴之内。此时所表现的非平衡态电子转移过程已经不能用经典的Marcus理论进行描述，也是本项目聚焦研究的科学问题。通过三年的研究，我们在两个重要体系中有所进展。第一个体系为黄素氧化还原蛋白（flavodoxin），我们使用超快光谱成功测量得到在该体系中的电荷分离过程为100-200飞秒，而电荷复合过程为1-2皮秒。有趣的是，由于电荷分离和复合过程比振动弛豫时间（3-6皮秒）要快，所以该体系可以清晰地观察到振动弛豫的过程，体现了蛋白超快非平衡态电子转移和一般溶液态电子转移的差异。第二个体系为蓝光受体BLUF域，通过将电子给体Tyr设计突变成Trp，我们成功地将该体系的电子转移过程和质子转移过程进行了解耦合。我们使用超快光谱成功测量得到该体系的电荷分离过程为2.2皮秒，而电荷复合过程为48皮秒。更重要的是，我们的工作揭示了该体系内存在着双向的质子摇摆现象，并测得正向和反向质子转移的速率分别为51和52皮秒。通过本项目，课题组还进行了温度调控装置的开发，后续可以用于其它蛋白体系中超快电子转移过程和电子耦合质子转移过程的温控研究。