Science Daily — 光合作用之所以重要，是因為植物可以藉由捕捉可用的光線能量中所有的光子，並利用其製造所需的食物。就在研究光合作用的這幾十年來，即便是科學家謹慎地去探討這個反應的機制，對於這個支持地球上所有生命的基礎生話程序來說，還是有一些關鍵的疑問尚未被解開來。
圖1. Photosynthesis Reaction Center Protein Structure: The structure of the L and M subunits of the photosynthetic reaction center from Rhodobacter sphaeroides (based on PDB entry 1PCR). The protein is represented in purple, the cofactors are represented in red, blue, black and yellow. (Credit: Professor Neal Woodbury, Biodesign Institute at ASU)
圖2. 光合作用反應中心蛋白質 3D 結晶，PDB code：1PCR（圖片來源：http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1PCR）
如今，一個由美國亞利桑納州立大學，生物設計學院的科學家 Neal Woodbury 所率領的龐大研究團隊提出了對於光合作用反應機轉中的新想法，其中包含了在時間尺度為百萬又百萬分之一秒中所有蛋白質的協同運動狀態之觀察。他們將所觀察到的現象以「Protein Dynamics Control the Kinetics of Initial Electron Transfer in Photosynthesis」名稱發表於五月四日所發行的國際知名科學期刊《科學》（Science）中。
「這個是由 Jim Allen 以及我在二十年前就開始展開了，我們關注著由個由我們所建構的突變，並且希望能讓我們的光學儀有所突破，」Woodbury 說到。「那個突變結果成為第一個長系列的突變種，而且改變了該反應起始時的系統能量。」
為了想要近距離觀察光合作用過程中究竟發生了什麼事，研究小組使用了一種名為 Rhodobacter sphaeroides 的紫色光合作用細菌（purple photosynthetic bacterium）。這個型態的微生物很像光合作用細菌在進化早期的樣子。研究人員將焦點集中在光合作用中心階段，也就是反應的中心，在那裡光線的能量被導入一個特殊的葉綠素結合蛋白（chlorophyll binding proteins）上。
圖3. 紫色光合作用菌：Rhodobacter sphaeroides 顯微鏡圖片
我們可以在教科書上找到闡述光合作用的圖形，圖形中描述了以一個反應蛋白質為支架的中心，握住了一個葉綠素分子，由於其距離與位相已經經過了最佳化，因此電子可以從其中一個葉綠素分子轉移到另一個身上。當葉綠色剛好存在於對的位置，任何系統中蛋白質的移動都可以被視為電子的副產物在葉綠素分子之間穿梭。
圖4. Two Reaction Centers in Plant Photosynthetic Membranes
Woodbury 及他的研究同事嘗試著揭開更多驅使光合作用發生的物理機轉，他們希望藉著創造出突變，並藉此成為一個計算電子在分子及反應中心轉移時，好的理論方法。
當研究人員想一步步的嘗試去接近答案，他們使用依據反應融合速率所設計出的新模型，Wang 發現在反應中心所得到的電子快速移動之曲線均相當的類似。
並非大多數的研究團隊都有足夠的配備去研究光合作用的初期階段，因為在這個階段中，發生的時間實在是太短了。Wang 利用一種超快速雷射系統來進行研究，它的運作類似高速圖像攝影機，可以捕捉到快如閃電的反應的數據資料。
在光合作用發生時，反應中心蛋白質的移動讓植物或細菌即便是在環境條件都不在最佳化的狀態下依舊保有對於光線能量轉換的高效率狀態。
圖5. 葉綠體－發生光合作用的地方
根據 Woodbury 的說法，反應中心蛋白質對於電子的所做的運作，就像是一部緩慢移動的電梯，而且這不電梯還沒有門可供人們進出其中。只要蛋白質移動所調整的能量恰到好處，電子是可以從其中離開的。即使電梯移動到稍微高了一點或低了一點的地方（起始的能量沒有被最佳化），人們（電子）依舊可以透過正確的門來下車。
圖6. 葉綠素與反應中心蛋白質相對關係結構圖
這個答案也許對於發展有機太陽能電池來說是一個好消息，因為他可以引起商業化的興趣，與傳統的矽晶片太陽能電池比較起來而降低其成本。「不過對於有機光電（photovoltaics）來說還是有一些問題存在，因為它並無法在你希望地所有條件下都可以運作。」Woodbury 說到。
「在這個領域當中最有興趣的莫過於去探討光線吸收時蛋白質的移動狀況。」Woodbury 說到。研究人員也希望在未來的實驗中能去尋找一些能解釋蛋白質運動的排序狀況，因為它也許會發生在反應的中心，同時也希望嘗試著透過電腦模型所預測出來的蛋白質移動會與他們的發現相互吻合。
這個研究包含生物設計學院同時也是論文主要作者 Haiyu Wnag；生物設計學院的 Su Lin；亞利桑納州立大學，化學與生化系的 James Allen、JoAnn Williams；以及生物設計學院的 Sean Blankert 及Christa Laser 等人。
圖7. Haiyu Wang, Neal Woodbury (l-r) and colleagues at the Biodesign Institute at ASU have provided new insight into the basic mechanisms of photosynthesis, a biological process that supports all life on earth. The biodesign team has shown that it is protein motion that determines the dynamics of the initial electron transfer reactions of photosynthesis, rather than static interactions between cofactors. The Biodesign researches use an ultrafast laser facility to capture 'snapshots' of the electron transfer at femtosecond rates, or a fifteen millionth of a second.
Note: This story has been adapted from a news release issued by Arizona State University.
原始報導：
ScienceDaily：Scientists Offer New View Of Photosynthesis
原始論文：
"Protein Dynamics Control the Kinetics of Initial Electron Transfer in Photosynthesis", Science 4 May 2007: 747-750
摘要：http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/316/5825/747