“光合天线”捕获“光能”

双链DNA作为模板引导自组装的花青染料形成了强耦合的染色聚合体，这些聚合体能够实现能量高效的定向传递，传递距离超过32纳米。

随着全球对能源需求的不断增长，再加上森林砍伐和化石燃料导致大气中二氧化碳含量不断升高，自然界的光合作用很难跟上碳循环速度。但是，如果我们借鉴光合作用制造出不会产生二氧化碳的能源，从而帮助自然碳循环过程会如何呢？人工光合作用就是这样，它利用太阳的能量来产生燃料，并且实现二氧化碳产量最小化。

在最近发表于《美国化学学会》杂志上的一篇论文中，亚利桑那州立大学的Hao Yan、Yan Liu和Neal Woodbury组成的研究团队报告称，在人工光合作用的优化系统研究中取得了巨大的进展，该系统模拟的是光合作用的第一阶段，也就是从太阳捕获和收集光能的过程。

植物叶片光合作用的第一步是通过叶绿素分子捕获光能，接下来是有效地把光能转移到光能化学反应发生的光合反应中心。这个过程被称为能量转移。天线复合体的自然光合作用更为高效，这就像收音机或电视机的天线一样，光合天线复合体的工作就是收集吸收到的光能，并将其引导到正确的地方。

但是，如果我们建立自己的能量传输天线复合体，也就是说通过人工结构吸收光能并将其远距离传输到可以使用的地方，会怎样呢？

Woodbury称：“自然界的光合作用已经掌握了收集光能并将其远距离移动到合适位置进行光化学反应的技巧。我们所面临的问题在于，从设计角度来说自然复合体很难复制。虽然我们可以利用它们，但是我们更想创造一种能够服务于我们目标的系统。对大自然的借鉴以及我们对DNA结构的精确设计，帮助我们突破了这一限制，使我们能够创建出一种光收集系统，并且有效地传输我们想要的光能。”

Yan的实验室已经找到一种方法来利用DNA的自组装结构，这种结构可以作为组装分子复合体的模板，而且几乎不受大小、形状和功能的限制。利用DNA结构作为模板，研究人员能够将染色分子聚集到几十纳米的DNA结构中，而且捕获和转移的能量损耗小于每纳米1%。染色分子模拟了叶绿素天线复合体在自然光合作用中的功能，有效地将光能从被吸收的地方长距离转移到被利用的地方。

为了进一步研究这种以自组装染色DNA纳米结构为基础打造的仿生光捕获复合物，Yan、Woodbury和Liu已经获得了美国能源部的资助。在之前由美国能源部资助的研究中，Yan和他的团队已经证明了DNA充当聚合染色分子的可编程模板的实用性。在这些研究发现的基础上，他们以DNA的自组装能力为基础，利用光子原理构建出可编程的DNA结构。这些DNA结构也为复杂光分子系统的设计和开发提供了灵活的平台。

Yan声称：“很高兴看到DNA可以被编程成脚手架一样的模板，模仿大自然的光收集天线，并且实现能量的远距离传输。这是一个跨学科研究成果的伟大展示。”这项研究的潜在成果在于它揭示了捕获能量的新方法，而且这些能量能够在不造成净损失的情况下实现远距离传输。反过来，这项研究也能够为设计更高效的能源转换系统开辟道路，从而减少我们对化石燃料的依赖。（邱成刚）