近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光子科學(xué)與凝聚態(tài)物理研究部劉偉民課題組通過(guò)飛秒受激拉曼光譜技術(shù)觀(guān)察到細(xì)菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsin，bR)的新拉曼模式，這一發(fā)現(xiàn)為bR的三能級(jí)模型提供了支持，同時(shí)獲得了bR光致異構(gòu)的細(xì)節(jié)，且該結(jié)果與X射線(xiàn)串行晶體學(xué)結(jié)果一致。本研究為理解bR的光化學(xué)機(jī)制提供了新見(jiàn)解。研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)科學(xué)》（Chemical Science）。

在嗜鹽菌Halobacterium salinarum中，光誘導(dǎo)細(xì)胞由內(nèi)到外的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過(guò)程主要由bR中全反式視黃醛發(fā)色團(tuán)的光異構(gòu)化驅(qū)動(dòng)。bR中的關(guān)鍵反應(yīng)涉及視黃醛發(fā)色團(tuán)光吸收后的超快結(jié)構(gòu)變化，這些變化通過(guò)亞皮秒到皮秒級(jí)時(shí)間尺度上的多個(gè)反應(yīng)中間態(tài)（H態(tài)→I態(tài)→J態(tài)→K態(tài)）逐步實(shí)現(xiàn)。盡管三態(tài)模型在描述H態(tài)與K態(tài)之間的主要中間態(tài)時(shí)得到了廣泛支持，但在光異構(gòu)化過(guò)程中，精確表征每個(gè)中間態(tài)的激發(fā)態(tài)特性依然面臨挑戰(zhàn)。

圖1. bR中全反式視黃醛分子光反應(yīng)中間態(tài)的結(jié)構(gòu)變化以及bR的飛秒受激拉曼光譜

劉偉民團(tuán)隊(duì)利用飛秒激發(fā)拉曼光譜技術(shù)研究了bR中全反式視黃醛的超快結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，并首次報(bào)道了1820 cm^-1頻率處的激發(fā)態(tài)拉曼信號(hào)，該信號(hào)來(lái)源于中間態(tài)I和J獨(dú)有的電子振動(dòng)耦合（Vibronic coupling）振動(dòng)模式。結(jié)合在1700 cm^-1處的碳氮（C=N）伸縮振動(dòng)模式以及954 cm^-1處的氫原子離面搖擺（HOOP）模式，研究團(tuán)隊(duì)深入探討了bR中基于三能級(jí)模型的原初光異構(gòu)化動(dòng)力學(xué)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，從H態(tài)到I態(tài)的躍遷發(fā)生在200 fs內(nèi)，過(guò)程中涉及由電荷轉(zhuǎn)移引起的偶極矩增強(qiáng)，并伴隨全反式視黃醛結(jié)構(gòu)中C12–C13=C14–C15二面角的微小變化。隨后的500 fs內(nèi)，C12–C13=C14–C15二面角進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致從I態(tài)到J態(tài)的躍遷。此后，J態(tài)通過(guò)進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)C12–C13=C14–C15的二面角轉(zhuǎn)變?yōu)镵態(tài)（13-順式基態(tài)）。最終，在K態(tài)→L態(tài)躍遷過(guò)程中，進(jìn)一步的構(gòu)象變化導(dǎo)致了13-順式完全平面構(gòu)型的形成。

本研究展現(xiàn)出了飛秒激發(fā)拉曼光譜技術(shù)在研究光受體蛋白結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了時(shí)間分辨X射線(xiàn)串行晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)的支持，進(jìn)一步驗(yàn)證了三能級(jí)模型在描述bR中全反式視黃醛激發(fā)態(tài)順?lè)串悩?gòu)化過(guò)程的合理性。

上?？萍即髮W(xué)為本項(xiàng)成果的第一完成單位，物質(zhì)學(xué)院劉偉民課題組博士后王子鈺、2022級(jí)碩士研究生陳瑜為該論文共同第一作者。上海科技大學(xué)劉偉民教授為通訊作者。

論文標(biāo)題：Mapping photoisomerization dynamics on three-state model potential energy surface in bacteriorhodopsin using femtosecond stimulated Raman spectroscopy

原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/sc/d4sc07540d