高效能量转移在光合作用研究的关键元素

光合作用是地球上所有生命的电动机。复杂的过程需要sunlight-powered二氧化碳和水转换成能源丰富的糖和氧气。这些过程是由两个蛋白复合物,光系统II。在光系统I,阳光是用于近100%的效率。在一个复杂的网络288叶绿素起决定性的作用。LMU化学家雷吉娜·德·Vivie-Riedle领导的研究小组已经为这些叶绿素的帮助下高精度的量子化学计算,对全面了解一个重要的里程碑的能量转移系统,可能能够利用其在未来人工系统的效率。

光系统I捕捉阳光的叶绿素天线复杂和能量转移到反应中心。,太阳能是用来触发一个氧化还原过程——也就是说,一个化学过程,电子转移。光系统I的量子产率近100%,这意味着几乎每个光子吸收导致氧化还原事件的反应中心。

模拟在自然条件下

“虽然复杂的能量转移在光系统已经研究了几十年,到今天没有共识的确切机制,”de Vivie-Riedle说。获得更深的见解,研究人员模拟了光激发的叶绿素光系统I模型嵌入在脂质膜。高度精确的多方法用于计算电子激发态。与先前的研究相比,这种方法允许光系统I被描述的基础上最先进的方法。复杂的计算是由莱布尼茨超级计算中心的超级计算机。

这项研究的结果,这是杂志的封面化学科学,揭露所谓的“红色叶绿素吸收光能量略低于他们的邻居由于环境静电效应。因此,它们的吸收光谱红移。类似地,研究人员还发现了能量壁垒天线之间的复杂反应中心,在其他的地方。“乍一看这似乎是令人惊讶的,因为没有明显的梯度沿着从天线能量转移的复杂反应中心,”主要作者Sebastian Reiter解释道。

波动能量克服障碍

在生理情况下,然而,整个光系统I受到热波动能量克服这些障碍,随着叶绿素的相对能量改变彼此。这样,新途径到反应中心不断开放,当别人接近。这个,根据作者的核心论文,可以光系统I的高效的关键。

“我们的原子论的模拟这些过程使微观的理解自然环境系统及其动态,补充实验方法,“总结Regina de Vivie-Riedle也是卓越e-conversion集群的成员。集群的目标之一就是有一天自然催化剂的效率转移到人工nano-bio混合动力系统等应用程序的生产氢作为能源载体或一氧化碳转化为燃料。这需要一个更好的理解的能量转移机制。光系统I和他们的结果,科学家们已经迈出了重要一步,这一目标的实现。

参考:Reiter年代,吻FL, hau J, Vivie-Riedle R de。热网站在光系统I中能量波动:从医学博士/ QM / MM计算新见解。化学科学。2023;14 (12):3117 - 3131。doi:10.1039 / D2SC06160K

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