随着地球上能源危机的日益严重，人们开始尝试利用各种其它的能源物质代替煤炭、石油等传统能源，其中利用太阳能是开发新能源的极好途径。同时，光不仅仅是一种能量，而且还是一种信息载体，所以，利用光的各种性能的材料在未来世界中的应用将是极为有利于人类的。在目前的光的应用中，大多数利用光进行能量转换、信息记录和信号变换。而所采用的材料大多是无机晶体、半导体或有机材料。但是自然界中的广大生物与光有着密切的关系，经过长期的进化而保留下来的某些生物大分子具有无机材料和人工合成有机分子所无法比拟的光学性能。最突出的例子就是被称为绿色工厂的叶绿素分子的高效的光能转换功能及动物视网膜上的感光物资——视紫红质在视觉信息变换与处理方面的精巧性。但是这两种生物分子都不易制备，且在生物体外稳定性差；并且，它们的光合作用与视觉过程是非常快的瞬间过程，对它们的研究和具体应用有很大的困难。

菌紫质

60年代末，美国科学家W · 斯托克恩斯（W. Stoeckenius）在研究一种称为嗜盐菌的微生物中，发现它的细胞膜中存在一种特殊的蛋白质。当这种蛋白质受到光照时，结构发生变化，质子（正一价的氢离子）则通过细菌的膜由膜内泵到膜外，形成质子电化学梯度。细胞应用这种电化学能合成ATP及完成其它需要能量的过程，以维持细菌的新陈代谢。这种蛋白质的结构与组成和视紫红质非常相似，因而起名为细菌视紫红质，简称为菌紫质，菌紫质的这种最基本的功能称为光驱质子泵功能。这是除植物以叶绿素为基础的光合作用系统外，人们所知道的第二种光合作用系统。

菌紫质在生物体外非常稳定，易于大量制取，具有很强的结构稳定性，对光和环境抗退化能力强、无须特殊的保存条件、廉价、可利用基因工程对其品性不断改进，并且它具有一系列独特的光电和光学特性。如对强光的微分响应、空间分辨率高、光灵敏度高、高的循环使用次数、快速的光致变色响应特性（最快为皮秒量级）、分子水平上的光电响应特性等。这些特点决定了这种高分子蛋白质在信息高速发展的今天越来越受到广泛的关注。它在光信息存储和处理、光计算、光电探测、视觉仿真、人工神经网络等方面具有广阔的应用前景。

从60年代末起，对菌紫质分子的研究已逐渐成为研究人员和相关行业人士关注的热点。70年代起，人工膜技术的发展导致了菌紫质分子应用研究的发展。人们应用电沉积膜技术、LB膜技术和人工双分子层脂膜技术等制备菌紫质分子人工膜，并获得了阶段性的进展。在诸如菌紫质分子人工膜的光电响应特性、非线性光学特性等研究及其应用技术方面获得了一系列有意义的结果。这些成果不仅对菌紫质分子在分子电子器件、视觉计算模拟等的实际应用方面具有价值，还促进了菌紫质分子质子泵原理、细胞膜能量转换和传递等理论机制的深入探讨。进入90年代，人们设想应用分子导向技术设计菌紫质分子人工膜，其成果有可能对菌紫质膜在纳米技术领域的实际应用作出推动。

菌紫质的结构

嗜盐菌属于原菌中的极端嗜盐微生物，需要高浓度的Nacl和镁盐才能维持其结构和生长，所以它们一般存在于盐湖和盐田的结晶盐中。嗜盐菌依靠氨基酸作为它的主要的碳的来源。在它的结构中没有发现叶绿素或其它的色素，当极度缺氧时，只要有光照，细菌仍能生活下去，这就是它的光能转换系统在起作用。在嗜盐菌的表面膜中，有一部分是紫色的，称为紫膜。紫膜是一些六角形的片段，是自然界中唯一发现的结晶膜。其中含有约25%的类脂和约75%的视蛋白质组成。它的结构是非对称的，内侧是疏水的羧基端，带较多的负电荷；外侧是亲水的氨基端，带较多的正电荷，可以利用紫膜的这种非对称性将其定向排列在某种载体上，制成定向膜。菌紫质即为紫膜中的唯一的蛋白质。这种蛋白质具有光驱质子泵功能，使得嗜盐菌在厌氧条件下获得所需要的能量。菌紫质分子由248个氨基酸组成和一个视黄醛分子组成，分子量为26000 KD，氨基酸链形成7次折叠的跨膜α螺旋结构，且大体与膜面垂直。生色团视黄醛通过质子化希夫碱基结合到第7号Gα螺旋的第216号赖氨酸上。菌紫质分子的7个α螺旋段以环形方式排列，视黄醛分子夹在其中，并与膜表面的倾斜角约为21度。菌紫质在分子中以三个分子为单位组成3聚体，形成二维六角形晶格结构。

菌紫质的功能

菌紫质分子在光照时发生光循环过程，在这个过程中菌紫质分子经历了一系列快速的结构变化，产生一系列的中间态，最后返回到基态，整个过程大约经过10 ms。伴随菌紫质分子的这种特有的光循环过程，它具有一些独特的功能，包括光驱质子泵、光致变色效应和光电响应。

光驱质子泵功能即为在光循环过程中，伴随着结构的变化，质子从细胞膜的一侧转移到另一侧，形成质子电化学梯度，嗜盐菌就利用这种电化学梯度所具有的能量进行新陈代谢。

光致变色效应是指菌紫质光循环过程中的各个中间态具有不同的光吸收峰，从而光照后发生可拟颜色变化的现象。

菌紫质的光电响应则是菌紫质吸收光能后引起生色团快速分离及随后蛋白质分子内质子运动在电极两端诱导出感生电动势或在外电路产生位移电流。利用菌紫质人工膜组成光电池，与外电路相连，可以测得光电信号。菌紫质的光电信号具有一个非常特殊的特点，即微分响应现象：一旦被光照，立即产生一个正的瞬时脉冲电流，然后降至一个稳定值，而停止光照时，又会产生一个负的脉冲电流。当光强发生变化时，也会产生正的或负方向的尖峰电信号。

光致变色效应、光电响应、光驱质子泵和光循环是紧密相关的。

菌紫质的特点

虽然以叶绿索为基础的光合作用比菌紫质的光能转换系统更有效，但菌紫质的光能转换机制更简单。嗜盐菌只需合成一种蛋白质并把它组装到膜中，就能使氧化磷酸化变为光能转换系统，在合成工作量和基因信息方面的节约是很可观的。另外，嗜盐菌的主要光吸收带占据的是可见光谱区，有较大的吸收截而（在570纳米处摩尔吸收系数为63000/M.厘米）.其他光合作用色素对此区的光几乎不吸收，这为含有紫膜的嗜盐菌提供了一个广阔的生态学环境。

菌紫质分子性能极为稳定，具有强的耐热、耐光照、抗环境退化能力，不需要特殊保存；易于大量制取，并能利用生化手段和基因工程对蛋白质的某些属性进行修改或增强。

菌紫质分子的空间分辨率大于5000线/毫米，光灵敏度达到0.001焦耳/平方厘米，循环次数也能够达到100000次。另外，由于紫膜的两侧带有不同的电荷，所以在电场的作用下能够在一些载体上形成大的膜结构。

正是由于菌紫质的这些特点使得它在实际中的应用具有很大的价值，并且在实际中也取得了很大的成果。

菌紫质的应用

进入到90年代，人们对菌紫质的结构、光学和光电性能已经有了较深入的认识，在材料科学、信息科学、微电子科学、薄膜技术和激光技术的推动下，人们开始探索把这种生物分子材料应用于光电探测、人工神经网络、视觉模拟系统、非线性光学材料、光学信息存储与处理等方面。美国、日本、德国、前苏联在这方面投入了大量的研究工作，并以取得令人鼓舞的结果，而国内的研究刚刚起步。

利用菌紫质的光致变色效应，可以用做各种记录方式的光存储材料，如：全息记录、偏振记录、比特记录等的材料。将菌紫质用于动态全息记录、空间光调制器与光学滤波、相位共扼、模式识别、相关记忆存储、三维存储等方面，已显示出其独特性和一定的优越性，是其它光致变色材料难以比拟的。

在光电元器件研制方面，由于菌紫质的原初光异构化过程在430 fs内完成，从而有可能将它做成极为快速的光电探测器。德国的奥斯纳布吕克大学的W · 特里斯（H. W. Triss）等人将定向的菌紫质薄膜直接与6 GHZ数字示波器的取样头偶联，在30 ps光脉冲的作用下，测得了上升时间小于20 ps的光电压，并用双脉冲实验证明这种器件具有光驱动顺反开关功能。美国的俄勒冈州立大学的R · 西门（R. Simmeth）和雷菲尔德（G. W. Rayfield）用3 ps光脉冲激发，在70 GHz的超快取样示波器上直接得到了上升时间

小于5 ps的光电压。这是迄今为止在生物样品中观察到的最快的光电信号。美国韦恩大学的霍格（Hong）等人用位置直接诱导突变的基因方法修改菌紫质生色团，从而制造出了具有特殊光电性能的生物分子电子器件。

日本富士感光胶片公司利用LB膜技术把菌紫质定向制作到ITO导电玻璃上，制作成ITO/菌紫质/电解质/金电极夹层结构的湿光电池，并用微电子技术集成了256个这样的光接收器用作图像传感器，建立了一套视觉感觉和处理系统，模拟了视网膜的基本功能，如运动探测、边缘增强。中国科学院感光化学所也成功的利用LB膜技术制成了ITO/菌紫质/电解质/Pt电极结构的光电池，用它作成了一个光敏报警器。

菌紫质具有的微分响应特性使它从分子水平就能实现对神经兴奋和抑制特性的模拟，所以它非常适合作为神经网络材料。美国康奈尔大学的研究小组在这方面取得了令人瞩目的成绩，用菌紫质作出了以光敏二极管结型为基础的定向菌紫质网络，实现了HOPFIELD模型，这种网络与电子系统不同的是初始化由光完成并能进行多次重编程修改。H · 塔克（H. Takei）等人则用干燥菌紫质薄膜实现了对视网膜中感受野的模拟。

但菌紫质最具有意义的应用是在“生物芯片”的领域。美国科学家确信，这种基于菌紫质生物材料和半导体的混合型计算机将首先问世，它的数据存储量和处理速度将是当今最先进的电子计算机所望尘莫及的。并且，同半导体计算机相比，蛋白质存储器不会对环境造成任何潜在的污染。目前，科学家们正朝着这个方向努力。最近，美国锡拉丘兹大学的研究人员开发了一台蛋白质光电装置。据专家介绍，这台尚处于样机阶段的装置存储容量比目前所采用的计算机存储容量高出300倍。由于菌紫质在光循环中发生光化学支化反应，为存储器提供了长效、高密的大容量数据存储功能。该装置利用红及绿的激光束从含有菌紫质蛋白质的存储器中读取数据。它能够克服一般的三维存储器遇到的问题（即在大容量存储模块中读写完数据后，不能再准确的返回到原来的位置，而且，还有可能把所输入的数据写到指定区域外）。它采用并行处理方式，能够进行多组数据的同时操作，全速运行时的速度与并行操作时中的存储模块数成正比。8个存储器模块每秒中可对8亿个字符实施操作。据锡拉丘兹小组人员声称，这种生物装置样机可能会在未来3到4年内投入运行。

结束语

有人曾说，下一世纪将是生物和光的天下。对生物的研究和应用将给我们人类带来又一次的革命，能够与18世纪的工业革命相提并论。同时，下一世纪的社会又是信息社会，信息传递的速度将会以更加强劲的势头向前发展，而社会的高速发展也依赖于极其快速发展的信息网。由于菌紫质的各种特点和特性，使得它在未来的信息社会中的应用将占有一席之地，具有很大的价值，对其进行广泛研究已是科研机构的一部分工作。下一步要解决的问题仍是菌紫质膜的基础理论模型和应用技术方面上仍存在的一些问题。在我国大约有五、六家单位从事菌紫质的研究工作。但与国外同行相比，无论在理论水平和技术应用上相差的距离较大，而这需要物理、化学、生物等多方面人才的紧密配合，才能将菌紫质膜的研究进一步推进。