近日，上海科技大学物质科学与技术学院光子科学与凝聚态物理研究部刘伟民课题组通过飞秒受激拉曼光谱技术观察到细菌视紫红质(bacteriorhodopsin，bR)的新拉曼模式，这一发现为bR的三能级模型提供了支持，同时获得了bR光致异构的细节，且该结果与X射线串行晶体学结果一致。本研究为理解bR的光化学机制提供了新见解。研究成果发表于国际学术期刊《化学科学》（Chemical Science）。
在嗜盐菌Halobacterium salinarum中，光诱导细胞由内到外的质子转移过程主要由bR中全反式视黄醛发色团的光异构化驱动。bR中的关键反应涉及视黄醛发色团光吸收后的超快结构变化，这些变化通过亚皮秒到皮秒级时间尺度上的多个反应中间态（H态→I态→J态→K态）逐步实现。尽管三态模型在描述H态与K态之间的主要中间态时得到了广泛支持，但在光异构化过程中，精确表征每个中间态的激发态特性依然面临挑战。
图1. bR中全反式视黄醛分子光反应中间态的结构变化以及bR的飞秒受激拉曼光谱
刘伟民团队利用飞秒激发拉曼光谱技术研究了bR中全反式视黄醛的超快结构动力学，并首次报道了1820 cm-1频率处的激发态拉曼信号，该信号来源于中间态I和J独有的电子振动耦合（Vibronic coupling）振动模式。结合在1700 cm-1处的碳氮（C=N）伸缩振动模式以及954 cm-1处的氢原子离面摇摆（HOOP）模式，研究团队深入探讨了bR中基于三能级模型的原初光异构化动力学。
实验数据表明，从H态到I态的跃迁发生在200 fs内，过程中涉及由电荷转移引起的偶极矩增强，并伴随全反式视黄醛结构中C12–C13=C14–C15二面角的微小变化。随后的500 fs内，C12–C13=C14–C15二面角进一步扭转，导致从I态到J态的跃迁。此后，J态通过进一步扭转C12–C13=C14–C15的二面角转变为K态（13-顺式基态）。最终，在K态→L态跃迁过程中，进一步的构象变化导致了13-顺式完全平面构型的形成。
本研究展现出了飞秒激发拉曼光谱技术在研究光受体蛋白结构动态方面的独特优势。实验结果得到了时间分辨X射线串行晶体学实验的支持，进一步验证了三能级模型在描述bR中全反式视黄醛激发态顺反异构化过程的合理性。
上海科技大学为本项成果的第一完成单位，物质学院刘伟民课题组博士后王子钰、2022级硕士研究生陈瑜为该论文共同第一作者。上海科技大学刘伟民教授为通讯作者。
论文标题：Mapping photoisomerization dynamics on three-state model potential energy surface in bacteriorhodopsin using femtosecond stimulated Raman spectroscopy
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/sc/d4sc07540d
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