_ Utilizarea de înaltă precizie chimia cuantică pentru a studia transferul super-eficient de energie în fotosinteză

Fotosinteza conduce toată viața de pe Pământ. Sunt necesare procese complexe pentru transformarea dioxidului de carbon și a apei în zahăr și oxigen bogate în energie. Aceste procese sunt conduse de două complexe proteice, fotosistemele I și II. În fotosistemul I, lumina soarelui este folosită cu o eficiență de aproape 100%. Aici o rețea complexă de 288 de clorofile joacă rolul decisiv.

O echipă condusă de chimistul LMU Regina de Vivie-Riedle a caracterizat acum aceste clorofile cu ajutorul cuanticelor de înaltă precizie. calcule chimice – o etapă importantă către o înțelegere cuprinzătoare a transferului de energie în acest sistem. Această descoperire poate ajuta la exploatarea eficienței sale în sistemele artificiale în viitor.

Clorofilele din fotosistem captează lumina soarelui într-un complex de antenă și transferă energia către un centru de reacție. Acolo, energia solară este folosită pentru a declanșa un proces redox, adică un proces chimic prin care electronii sunt transferați. Randamentul cuantic al fotosistemului I este de aproape 100%, ceea ce înseamnă că aproape fiecare foton absorbit duce la un eveniment redox în centrul de reacție.

„Deși transferul complicat de energie din interiorul fotosistemului a fost studiat de zeci de ani, există Nu există un consens până astăzi cu privire la mecanismul exact”, spune de Vivie-Riedle. Pentru a obține informații mai profunde, cercetătorii au simulat excitația luminii a tuturor clorofilelor într-un model de fotosistem pe care l-am încorporat într-o membrană lipidică. Pentru a calcula excitațiile electronice a fost utilizată o metodă multireferință foarte precisă. În comparație cu studiile anterioare, această abordare permite descrierea fotosistemului I pe baza unei metodologii de ultimă generație. Calculele complicate au fost posibile de supercomputerul de la Centrul de Supercomputing Leibniz.

Rezultatele studiului, care apare pe coperta revistei Chemical Science, dezvăluie așa-numitele „clorofile roșii” care absorb lumină la energii puțin mai mici decât vecinii lor datorită efectelor electrostatice ambientale. Ca urmare, spectrul lor de absorbție este deplasat spre roșu. În mod analog, cercetătorii au identificat și bariere energetice între complexul de antenă și centrul de reacție, printre alte locuri. „Acest lucru pare surprinzător la prima vedere, deoarece nu există un gradient evident de-a lungul căruia energia este transferată de la complexul de antenă la centrul de reacție”, explică autorul principal Sebastian Reiter.

În condiții fiziologice, totuși, întregul fotosistem. I este supus fluctuațiilor termice care depășesc aceste bariere energetice, deoarece energiile relative ale clorofilelor se schimbă unele față de altele. În acest fel, noi căi în centrul de reacție se pot deschide în mod constant, în timp ce altele se închid. Aceasta, conform tezei de bază a autorilor, ar putea fi cheia eficienței ridicate a fotosistemului I.

"Simularea noastră atomistă a acestor procese permite o înțelegere microscopică a sistemului și a dinamicii sale în mod natural. mediu, complementar abordărilor experimentale”, conchide Regina de Vivie-Riedle, care este, de asemenea, membră a clusterului de excelență e-conversion.

Unul dintre obiectivele clusterului este acela de a transfera într-o zi eficiența de fotocatalizatori naturali la sisteme artificiale nano-bio hibride pentru aplicații precum producerea de hidrogen ca purtător de energie sau conversia monoxidului de carbon în combustibil. Acest lucru necesită o mai bună înțelegere a mecanismului de transfer de energie. Cu rezultatele lor pe fotosistemul I, oamenii de știință au făcut acum un pas important către realizarea acestui obiectiv.

(Fluierul)