Фотосинтез - это двигатель всей жизни на Земле. Для преобразования углекислого газа и воды с помощью солнечного света в богатые энергией сахар и кислород требуются сложные процессы. Эти процессы управляются двумя белковыми комплексами, фотосистемами I и II. В фотосистеме I солнечный свет используется с эффективностью почти 100%. Здесь решающую роль играет сложная сеть из 288 хлорофиллов. Команда, возглавляемая химиком из LMU Региной де Виви-Ридле, теперь охарактеризовала эти хлорофиллы с помощью высокоточных квантово-химических расчетов - важная веха на пути к всестороннему пониманию передачи энергии в этой системе и потенциальной возможности использовать ее эффективность в искусственных системах в будущем.

Хлорофиллы в фотосистеме I улавливают солнечный свет в антенном комплексе и передают энергию в реакционный центр. Там солнечная энергия используется для запуска окислительно-восстановительного процесса, то есть химического процесса, посредством которого переносятся электроны. Квантовый выход фотосистемы I составляет почти 100%, что означает, что почти каждый поглощенный фотон приводит к окислительно-восстановительному процессу в реакционном центре.

Моделирование в естественных условиях

"Хотя сложный перенос энергии внутри фотосистемы изучался десятилетиями, до сегодняшнего дня нет единого мнения о точном механизме", - говорит де Виви-Ридле. Чтобы получить более глубокое представление, исследователи смоделировали световое возбуждение всех хлорофиллов в модели фотосистемы I, встроенной в липидную мембрану. Для расчета электронных возбуждений был использован высокоточный многопозиционный метод. По сравнению с предыдущими исследованиями, этот подход позволяет описать фотосистему I на основе самой современной методологии. Сложные вычисления стали возможными благодаря суперкомпьютеру в суперкомпьютерном центре Лейбница.

Результаты исследования, которые представлены на обложке журнала Химическая наука, обнаруживают так называемые "красные хлорофиллы", которые поглощают свет при несколько меньших энергиях, чем их соседи, из-за электростатических эффектов окружающей среды. В результате их спектр поглощения смещен в красный цвет. Аналогичным образом, исследователи также выявили энергетические барьеры между антенным комплексом и реакционным центром, среди прочих мест. "На первый взгляд это кажется удивительным, потому что нет очевидного градиента, по которому энергия передается от антенного комплекса к реакционному центру", - объясняет ведущий автор Себастьян Рейтер.

Колебания преодолевают энергетические барьеры

Однако в физиологических условиях вся фотосистема I подвержена тепловым колебаниям, которые преодолевают эти энергетические барьеры, поскольку относительные энергии хлорофиллов изменяются по отношению друг к другу. Таким образом, новые пути в реакционный центр могут постоянно открываться, в то время как другие закрываются. Это, согласно основному тезису авторов, могло бы стать ключом к высокой эффективности фотосистемы I.

"Наше атомистическое моделирование этих процессов позволяет получить микроскопическое представление о системе и ее динамике в естественной среде, дополняя экспериментальные подходы", - заключает Регина де Виви-Ридле, которая также является членом электронное преобразование кластер передового опыта. Одна из целей кластера - в один прекрасный день перенести эффективность природных фотокатализаторов на искусственные нано-биогибридные системы для таких применений, как производство водорода в качестве энергоносителя или превращение монооксида углерода в топливо. Это требует лучшего понимания механизма передачи энергии. Благодаря своим результатам в отношении фотосистемы I ученые теперь сделали важный шаг к реализации этой цели.