利用高精度量子化学研究光合作用中的超高效能量转移

发布时间：2023-03-25 18:50:58 栏目：生活

导读 光合作用驱动着地球上的所有生命。在阳光下将二氧化碳和水转化为富含能量的糖和氧气需要复杂的过程。这些过程由两种蛋白质复合物驱动，即光

光合作用驱动着地球上的所有生命。在阳光下将二氧化碳和水转化为富含能量的糖和氧气需要复杂的过程。这些过程由两种蛋白质复合物驱动，即光系统I和II。在光系统I中，太阳光的使用效率几乎为100%。在这里，由288种叶绿素组成的复杂网络起着决定性的作用。



由LMU化学家Regina de Vivie-Riedle领导的团队现在在高精度量子化学计算的帮助下表征了这些叶绿素 - 这是全面了解该系统中能量转移的重要里程碑。这一发现可能有助于在未来利用其在人工系统中的效率。

光系统I中的叶绿素捕获天线复合物中的阳光并将能量转移到反应中心。在那里，太阳能被用来触发氧化还原过程 - 也就是说，电子转移的化学过程。光系统I的量子产率几乎是100%，这意味着几乎每个吸收的光子都会导致反应中心的氧化还原事件。

自然条件下的模拟

“虽然光系统内部复杂的能量转移已经研究了几十年，但直到今天还没有关于确切机制的共识，”de Vivie-Riedle说。为了获得更深入的见解，研究人员模拟了嵌入脂质膜的光系统I模型中所有叶绿素的光激发。采用高精度多参考方法计算电子激励。与早期的研究相比，这种方法允许在最先进的方法的基础上描述光系统I。莱布尼茨超级计算中心的超级计算机使复杂的计算成为可能。

这项研究的结果出现在《化学科学》杂志的封面上，揭示了所谓的“红叶绿素”，由于环境静电效应，它们吸收的能量略低于邻居。结果，它们的吸收光谱是红移的。类似地，研究人员还确定了天线复合体和反应中心之间的能量屏障。“乍一看这似乎令人惊讶，因为没有明显的梯度将能量从天线复合体传递到反应中心，”主要作者Sebastian Reiter解释说。

波动克服能量障碍

然而，在生理条件下，整个光系统I受到克服这些能量屏障的热波动的影响，因为叶绿素的相对能量彼此变化。通过这种方式，进入反应中心的新途径可以不断打开，而其他途径则关闭。根据作者的核心论点，这可能是光系统I高效率的关键。

“我们对这些过程的原子模拟能够对系统及其在自然环境中的动力学进行微观理解，与实验方法相辅相成，”Regina de Vivie-Riedle总结道，她也是电子转换卓越集群的成员。

该集群的目标之一是有朝一日将天然光催化剂的效率转移到人工纳米生物混合系统中，用于生产氢作为能量载体或将一氧化碳转化为燃料等应用。这需要更好地了解能量转移机制。凭借他们在光系统I上的结果，科学家们现在已经朝着实现这一目标迈出了重要的一步。