亲眼所见！将光转化为氢燃料的催化剂结构

　　阿贡国家实验室和耶鲁大学的研究人员首次揭示了一种光合混合物质的结构，使清洁能源生产取得了进展。

　　光合作用是将太阳光能转化为地球上生命所必需的化学能的最有效的自然过程之一。被称为光系统（photosystems）的蛋白质对这一过程至关重要，负责将光能转化为化学能。

　　将其中一种称为光系统I（PSI）的蛋白质与铂纳米粒子结合起来，创造出一种生物混合催化剂。铂纳米粒子是一种可以进行化学反应产生氢（一种宝贵的清洁能源）的微观粒子。也就是说，PSI吸收的光驱动铂纳米粒子产生氢气。

　　“现在直接看到了我们已经研究了13年的系统真的很令人兴奋。”——Lisa Utschig， 阿贡国家实验室化学家。

　　在最近的一项突破中，美国能源部阿贡国家实验室和耶鲁大学的研究人员已经确定了PSI生物混合太阳能燃料催化剂的结构。在阿贡超过13年的开创性研究的基础上，该团队报告了生物混合结构的第一个高分辨率视图，使用一种称为冷冻电镜（cryo-EM）的电子显微镜技术。随着结构信息的掌握，这一进步为研究人员开发具有更高性能的生物混合太阳能燃料系统打开了大门，这将提供传统能源的可持续替代品。

　　PSI是一种大型蛋白质复合物，存在于植物、藻类和光合细菌中。这种蛋白质在捕获阳光并将其转化为能量方面起着至关重要的作用。比较独特的是，PSI能够非常有效地将阳光转化为能量——蛋白质每吸收一个光子，几乎总能产生一个电子。然后，这些电子可以转移到生物杂化物的结合铂纳米粒子上，从而促进氢气的产生。

　　在早期的工作中，阿贡国家实验室的化学家丽莎·乌茨希格（Lisa Utschig）能够利用PSI操纵光合作用并生产氢燃料。现在，她和她的团队已经能够详细地看到PSI生物杂交体的结构。

　　Utschig说，“能够直接看到我们已经研究了13年的系统真的很令人兴奋，尽管一些研究已经探索了PSI生物杂化催化剂的特性，但研究人员还不知道铂纳米颗粒附着在蛋白质上的位置。利用高分辨率低温电镜，研究人员能够更彻底地研究生物杂化物的结构，并准确地找到纳米颗粒与PSI结合的位置。”

　　她说，“我们假设纳米粒子在PSI的电子转移伙伴连接的地方结合，但结构显示实际上有两个点位。这是非常令人惊讶的。”

　　有了这些结构信息，研究人员现在可以开始优化纳米颗粒如何附着和相互作用，以进一步提高催化效率。他们可以通过改变蛋白质特性和调整纳米颗粒来设计这种生物杂交体。

　　Utschig说：“在分子水平上看到生物能源，看到人造粒子和天然蛋白质如何结合在一起产生能量，真是太神奇了！”

　　这项工作的其他贡献者包括Christopher J. Gisriel， Tirupathi Malavath, tiananyin Qiu, Jan Paul Menzel, Victor S. Batista和Gary W. Brudvig。

　　研究的结果发表在《自然通讯》上。在本研究中，生物混合系统的合成、设计和冷冻电镜（cryo-EM）由美国能源部基础能源科学办公室资助，冷冻电镜由美国国立卫生研究院普通医学科学研究所额外资助。

　　（素材来自：Argonne National Laboratory 全球氢能网、新能源网综合）