物质学院刘伟民课题组揭示类球红细菌外周捕光天线2中类胡萝卜素向细菌叶绿素的传能机制

上海科技大学刘伟民课题组利用飞秒受激拉曼光谱，首次解析了类球红细菌外周捕光天线复合物LH2 中球形烯向细菌叶绿素a的高效能量传递机制，发现了关键的隐藏中间电子态并建立四能级弛豫模型，相关成果发表于英国皇家化学学会期刊《化学科学》（Chemical Science）。

在自然界光合作用中，类胡萝卜素通过向叶绿素传递能量，显著拓展了生物体对太阳光谱的利用范围。在类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides 2.4.1）的外周捕光天线复合物 LH2 中，共轭链长度为 10 的类胡萝卜素 —— 球形烯，能够以极高效率向细菌叶绿素 a 传递能量。阐明这一过程的微观机制，对于深入理解光合作用原初阶段的能量转化具有重要意义。

刘伟民课题组系统研究了球形烯自由分子，通过实验观测到清晰的高频电子—振动耦合信号，证明在其S₂态与S₁态之间存在一个独立的中间电子态S_X，并进一步确认该态具有3A_g⁻电子对称性。键长交替变化（bond length alteration, BLA）信号、氢原子离面摇摆（hydrogen-out-of-plane, HOOP）信号以及360 cm⁻¹低频振动模共同表明，球形烯分子在S₂态会发生明显的结构扭曲。这种动态结构畸变与电子—振动耦合作用协同作用，使原本位于S₂态之上的3A_g⁻能级下移至S₂态之下，从而揭示了中间态S_X（3A_g⁻）的物理来源。在此基础上，研究团队建立了球形烯的四能级弛豫模型，即S₂→3A_g⁻→S₁→S₀，并将其应用于LH2中球形烯向细菌叶绿素a的能量传递研究。结果表明，球形烯的S₂态、S_X（3A_g⁻）态和S₁均可作为能量供体参与传能过程。根据各态的弛豫寿命推算，三条传能通道的能量传递效率分别约为50%、32%和12%，总效率达到94%，与已有报道结果高度一致。

球型烯的飞秒受激拉曼光谱（左）与类球红细菌（Rhodobacter sphaeroides 2.4.1）外周捕光天LH2的结构示意图（右）

上海科技大学物质学院研究生彭勃、博士后马腾飞和中国人民大学研究生陈明卿为共同第一作者，刘伟民教授、中国人民大学王鹏教授为共同通讯作者。

论文题目：Dynamic-structural-distortion of spheroidene activates a hidden 3A_g⁻ state mediating carotenoid-to-bacteriochlorophyll energy transfer in a light-harvesting 2 complex

论文链接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/sc/d5sc08508j