Bruger fotosyntetiske komplekser kvantesammenhæng for at øge deres effektivitet?

I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Elinor Zerah Harush og Yonatan Dubi i afdelingerne for kemi og nanoskala videnskab og teknologi, ved Ben-Gurion-universitetet i Negev, Israel, diskuterede en direkte evaluering af virkningerne af kvantesammenhæng på effektiviteten af ​​tre naturlige fotosyntetiske komplekser. Den åbne kvantesystem-tilgang gav forskerne mulighed for samtidigt at identificere kvante-natur og effektivitet under naturlige fysiologiske forhold. Disse systemer boede i et blandet kvanteklassisk regime, som de karakteriserede ved hjælp af affasningsassisteret transport. Effektiviteten var i bedste fald minimal, hvorfor tilstedeværelsen af ​​kvantesammenhæng ikke spillede en væsentlig rolle i processen. Effektiviteten var også uafhængig af eventuelle strukturelle parametre, hvilket tyder på evolutionens rolle under strukturelt design til andre anvendelser.

Undersøgelse af kvanteeffekter i biologi

Under fotosyntesen, energi kan overføres fra en antenne til et reaktionscenter for at opsamle lys og omdanne det til kemisk energi til brug for organismen. Exciton-bundne elektronhullepar dannede energibærerne i den fotosyntetiske proces til at transportere høstet solenergi fra antennen til reaktionscentret via et netværk af bakteriochlorofyller (fotosyntetiske pigmenter, der forekommer i bakterier), også kendt som exciton-transfer-komplekset (ETC). Interesser for ETC er udvidet i det sidste årti, hvor forskere brugte ultrahurtige ikke-lineære spektroskopisignaler til at demonstrere langvarige svingninger. Opdagelsen af ​​sammenhængende svingninger i ETC'er præsenterede hypotesen om, at kvantesammenhæng fandt sted inden for naturlige fotosyntetiske komplekser for at hjælpe energioverførsel. Harush et al. søgt at forstå, om kvantesammenhæng kunne eksistere i den biologiske proces med fotosyntetisk energioverførsel. Hvis så, blev det brugt af det naturlige system til forbedret funktionel effektivitet? Mens eksperimentelt og teoretisk arbejde har behandlet disse spørgsmål, de forbliver stort set ubesvarede. I dette arbejde, teamet behandlede spørgsmålene ved hjælp af værktøjer udviklet ud fra teorien om åbne kvantesystemer. Resultaterne tyder på usandsynligheden for, at fotosyntetiske komplekser anvender kvantesammenhæng for at øge deres effektivitet.

Holdet overvejede tre forskellige fotosyntetiske ETC'er (exciton-overførselskomplekser) under eksperimenterne. Disse omfatter Fenna-Matthews-Olson (FMO) -komplekset-som forekommer i grønne svovlbakterier, kryptofyt phycocyanin-645 (PC-645) protein-en del af det fotosyntetiske apparat i kryptofytalger, og let høst 2 (LH2) - en del af den lilla fotosyntetiske bakterie Rhodopseudomonas acidophila. Alle tre komplekser viste sammenhængende energioverførselsoscillationer i ikke-lineære todimensionale spektroskopimålinger. Teamet afbildede excitonstrømmen som en funktion af affasingshastigheden for FMO-komplekset og PC-645-komplekset. Ligheden mellem parcellerne angav den relative ufølsomhed af strømmen til den interne struktur Hamiltonian. Ved hjælp af bakteriepopulationerne har Harush et al. testet systemets "kvantitet". De erkendte dette ved hjælp af en forbindelse mellem excitonpopulationen og affasningshastighed gennem mekanismen for miljøassisteret kvantetransport (ENAQT). ENAQT -effekten var tydeligt synlig i resultaterne, da strømmen viste et maksimum i affasingshastigheden. Imidlertid, den nuværende forbedring var minut ved ca. 0,0015% stigning for at indikere kompleksets usandsynlige karakter for at pålægge en meningsfuld evolutionær drivkraft.

Miljøets indvirkning på fotosyntetisk overførselseffektivitet

Holdet undersøgte derefter LH2 (let høst-2) komplekset for at forstå sammenhængen mellem ENAQT (miljøassisteret kvantetransport) og befolkningen. Dette var svært på grund af den manglende rumlige adskillelse mellem antennen og reaktionscentret i konstruktionen. LH2 -komplekset indeholdt to ringe af bakteriophylpigmenter; B800 (gul ring) og B850 (blå ring) opkaldt efter deres energiabsorberingsresonans i nanometer og absorberende energi i det synlige område af spektret. Hver del af komplekset kunne absorbere lys for at ophidse en exciton, som overførtes fra en af ​​ringene til reaktionscentret, hvilket tillod mange exciton-overførselsveje at forekomme. Imidlertid, en aktuel kontra affasningskurve for LH2 afslørede vigtigheden af ​​sammenhæng under transport. Holdet afbildede derefter strøm som en funktion af affasning af LH2 -systemets hastighed og bemærkede en meget lille stigning i strøm på cirka 0,05 procent.

Nuværende, sammenhæng og klassicitet.

Resultaterne af undersøgelsen fastslog fraværet af en væsentlig stigning i excitonstrømmen ved sammenligning af fuldt kvantetilfælde med de fysiologisk realistiske affasingshastigheder. De tog også hensyn til klassiske systemer, som ikke blev defineret af manglen på nogen sammenhæng, selvom deres sammenhæng kunne bestemmes fuldstændigt ud fra populationerne uden yderligere oplysninger. Forskere havde tidligere kvantificeret sondringen mellem kvante- og klassiske systemer. I et klassisk system, de to strømme vil være de samme, hvilket indebærer, at kvantesammenhæng ikke bærer yderligere information på tværs af den klassiske dynamik.

Resultatet af denne undersøgelse viste, hvordan strukturerne af interesse i forhold til FMO, PC-645 og LH2 udviklede sig ikke for at forbedre kompleksernes effektivitet. I fremtiden, Elinor Zerah Harush og Yonatan Dubi agter at vurdere oprindelsen af ​​den observerede affasningstid for at anerkende, om de værdier, der er beregnet i undersøgelsen, er unikke. Teamet agter også at forstå andre potentielle evolutionære fordele ved de fotosyntetiske overførselskomplekser, som vil guide biofysikere til i vid udstrækning at forstå den mulige rolle, kvanteeffekter har i fotosyntetiske komplekser.

© 2021 Science X Network