最近发现的叶绿素分子可能是改善太阳能电池的关键的最新研究

所有生物都需要能量才能生存，而这种能量间接来自太阳。一些生物，例如植物、蓝细菌和藻类，能够通过被称为“光合作用”的过程将这种光能直接转化为化学能。
      这些光合生物包含特殊的结构来介导光合作用，称为“光系统”。存在两个进行光能转换反应的光系统，每个系统都由许多蛋白质和色素组成。在光合色素中，叶绿素是最关键的色素，它不仅捕获来自太阳的光能，而且参与“电子转移链”，一种将光子（来自太阳光）转化成电子（用于作为能源）的分子途径。叶绿素分子有不同类型，每种都有特定的功能，从吸收光到将其转换成能量。此外，每个叶绿素分子在不同区域吸收光。
       最近，发现了一种名为Chl f的新型叶绿素，但是诸如它的确切位置以及其功能等细节，直到现在仍然是个谜。 在《Nature Communications》上发表的一项新研究中，由日本东京科学大学的Tatsuya Tomo教授领导的一组研究人员，包括冈山大学，筑波大学，神户大学和理化学研究所的合作研究人员，揭示了有关Chl f的位置和功能研究的新细节。他们想深入了解光合作用的复杂过程，因为对这一过程的深入了解可能会在将来有各种应用，例如太阳能电池的开发。在谈到这项研究时，Tomo教授说：“光合作用的初始过程始于与该光化学配合物结合的光合色素吸收光。我们分析了新发现的光化学配合物的结构，具有Chl f的光系统I的最大吸收在光的能量较低的一侧（远红光）。此外，我们分析了Chl f的功能。”
       到目前为止，科学家们知道Chl f是“远红移”的，这意味着该分子吸收了光谱低端的远红光。 Tomo教授及其团队想更深入地研究，为此，他们研究了首次发现Chl f的藻类。通过使用低温电子显微镜等技术，他们详细分析了该藻类中光系统的高分辨率结构，发现Chl f位于光系统I的外围（两种类型的光系统之一），但不是存在于电子转移链中。他们还发现远红外光会引起光系统的结构变化，并且随之出现藻类中Chl f的合成，从而他们得出结论Chl f会导致光系统I中的这些结构变化。
       这一发现令人兴奋，因为这一发现首先解释了Chl f的工作原理。 Tomo教授说：“我们的发现表明Chl f的出现与在远红光下诱导的光系统I基因的表达密切相关。这表明Chl f的作用是收集远红光并增强上坡能量传输。我们还发现，光系统I的氨基酸序列为适应Chl f的结构而发生了改变。”
       了解光合作用的复杂性有几个重要的应用。例如，在人造系统中模拟光合作用的过程是一种捕获太阳能并将其转化为电能的有效方法。Tomo教授详细说明：“落在地球上的太阳能中约有一半是可见光，另一半是红外光。我们的研究提出了一种可以在较低能谱上使用光的机制，这是以前从未见过的。我们的发现展示了如何提高光合作用中的能量转移效率，并由此提供了对人工光合作用的重要见解。”

图：白色PSI和远红色PSI单体结构的叠加