工程病毒提供基于量子的能量传输增强

MIT实验中使用的病毒渲染。称为发色团的聚光中心为红色，刚刚吸收光子的发色团为白色。修改病毒以调整发色团之间的间隔后，能量可以从一组发色团跳到下一个，更快，更有效。由研究人员和Lauren Alexa Kaye提供

在一项新发表的研究中，一组科学家详细介绍了他们如何使用基因工程病毒来增强基因工程激子网络中的能量传输。

大自然已经有数十亿年的时间来完善光合作用，这种光合作用直接或间接地支持了地球上几乎所有生命。在那段时间里，该过程在将太阳光的能量从受体传输到反应中心的过程中几乎达到了100％的效率，即使是最好的太阳能电池，其性能也要好得多。

植物达到这种效率的一种方法是利用量子力学的奇特效应-这种效应有时被称为“量子怪异”。麻省理工学院的工程师现在已使用这些效果（包括粒子一次在一个以上的位置中存在的能力）来显着提高光收集系统的效率。

令人惊讶的是，麻省理工学院的研究人员不是通过高科技材料或微芯片而是通过使用基因工程病毒来实现这种新的太阳能方法。

麻省理工学院教授安吉拉·贝尔彻（Angela Belcher）和量子理论专家塞斯·劳埃德（Seth Lloyd）的研究成果是量子研究与遗传操纵相结合的成果，该成果是麻省理工学院教授安吉拉·贝尔彻（Angela Belcher）和工程学家塞斯·劳埃德及其潜在的应用； Heechul Park研究助理；以及MIT和意大利的14位合作者。

机械工程学教授劳埃德（Lloyd）解释说，在光合作用中，光子击中了一种称为生色团的受体，后者又产生激子，即能量的量子粒子。激子从一种生色团跃迁到另一种生色团，直到到达反应中心，该能量被利用来构建维持生命的分子。

但是，除非利用量子效应，否则跳跃路径是随机的且效率低下的，除非它实际上允许它同时采取多个路径并选择最佳路径，其行为更像是波而不是粒子。

了解研究人员如何对病毒进行遗传工程改造以更有效地传输能量。视频由研究人员提供（Melanie Gonick / MIT的其他剪辑）

激子的这种有效运动具有一个关键要求：发色团必须排列正确，它们之间的空间恰好正确。劳埃德（Lloyd）解释说，这就是所谓的“量子戈迪洛克效应”。

这就是病毒的来源。通过设计Belcher多年来使用的病毒，该团队得以使其与多种合成发色团（在这种情况下为有机染料）结合。然后，研究人员能够产生许多病毒变种，在这些合成发色团之间的间隔略有不同，然后选择效果最佳的发色团。

最终，他们能够使激子的速度提高一倍以上，从而延长了消散之前的行进距离，从而极大地提高了过程效率。

该项目从在意大利举行的一次会议上的一次偶然的机会开始。生物工程学教授劳埃德（Lloyd）和贝尔彻（Belcher）正在报告他们所从事的不同项目，并开始讨论包含他们截然不同的专业知识的项目的可能性。劳埃德（Lloyd）的工作大多是理论性的，他指出与贝尔彻（Belcher）合作的病毒具有合适的长度尺度，可以潜在地支持量子效应。

2008年，劳埃德（Lloyd）发表了一篇论文，表明光合生物由于这些量子效应而有效地传输了光能。当他看到Belcher关于她的工程病毒研究的报告时，他想知道这是否可能提供一种人为地诱发类似效果的方法，以努力达到自然的效率。

劳埃德回忆说：“我一直在讨论可以用来证明这种效果的潜在系统，安吉拉说，‘我们已经在制造那些。’最终，经过大量分析，“我们提出了设计原则，以重新设计病毒如何捕获光，并使其进入这种量子状态。”

在两周内，Belcher的团队创建了他们的工程病毒的第一个测试版本。然后花费了几个月的时间来完善接收器和间距。

一旦研究小组设计出病毒，他们便能够使用激光光谱学和动力学模型来观察光收集过程，并证明新病毒确实在利用量子相干性来增强激子的运输。

“真的很有趣，”贝尔彻说。“我们一组说不同的（科学）语言的人紧密合作，共同造就了这类生物，并分析了数据。这就是为什么我对此感到如此兴奋。”

研究小组说，虽然最初的结果本质上是一个概念证明，而不是一个实际的系统，但它为可能导致廉价和高效的太阳能电池或光催化作用的方法指明了道路。到目前为止，工程病毒已经从传入的光中收集和传输能量，但尚未利用它来产生能量（例如在太阳能电池中）或分子（例如在光合作用中）。但这可以通过在发生激子的病毒末端增加一个反应中心来完成。

哈佛大学化学与化学生物学教授AlánAspuru-Guzik说：“这是令人兴奋的高质量研究。”他说，这项研究“将理论领导者（Lloyd）和实验领导者（Belcher）的工作结合在一起，构成了真正的多学科和令人兴奋的组合，涵盖了从生物学到物理学到潜在的未来技术。”

Aspuru-Guzik补充说：``使用可控激子系统是该领域许多研究人员共同的目标。''“这项工作提供了基础知识，可以开发出对激子流量进行更多控制的设备。”

这项研究得到了意大利能源公司Eni通过MIT能源计划的支持。除了麻省理工学院的博士后Nimrod Heldman和Patrick Rebentrost外，该团队还包括佛罗伦萨大学，佩鲁贾大学和埃尼大学的研究人员。

出版物：Heechul Park等人，“增强了基因工程激子网络中的能量传输”，《自然材料》（2015年）； doi：10.1038 / nmat4448