Новая модель имитирует сбор света через несколько сотен нанометров тилакоидной мембраны, которая представляет собой мембрану внутри хлоропласта, в которой находится фотосистема II (ФСII), комплекс антенн, состоящий в основном из хлорофилл-содержащих белков. Антенны в ФС II получают энергию «возбуждения», когда они поглощают солнечный свет, и благодаря квантово-механическим эффектам почти мгновенно передают эту дополнительную энергию реакционным центрам для преобразования в химическую энергию. Предыдущие модели PSII моделировали перенос энергии в одном антенном белке.«Наша модель, которая рассматривала около 10 000 белков, содержащих около 100 000 молекул хлорофилла, является первой, которая имитирует область мембраны ФС II, достаточно большую, чтобы представить поведение в хлоропласте, при этом соблюдая и используя как квантовую динамику, так и пространственную структуру мембраны. компонентов », — говорит химик Грэм Флеминг, который руководил разработкой этой модели.
Флеминг — мировой авторитет в области квантовой динамики фотосинтеза. Он имеет встречи в лаборатории Беркли, Калифорнийском университете (Калифорнийский университет) в Беркли и в Институте нанонауки энергии Кавли в Беркли.
«Мы используем идеи структурной биологии, передовой спектроскопии и теории для воспроизведения наблюдаемых явлений в диапазоне от одного нанометра до сотен нанометров и от десяти фемтосекунд до одной наносекунды», — говорит Флеминг. «Это позволяет нам впервые объяснить механизмы, лежащие в основе высокой квантовой эффективности сбора света ФСII в идеальных условиях».Флеминг является автором-корреспондентом статьи, описывающей это исследование, в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Работа озаглавлена «Многомасштабная модель сбора света фотосистемы II в тилакоидной мембране растений». Соавторы — Капил Амарнатх, Доран Беннетт и Анна Шнайдер.Способность зеленых растений процветать на солнце отчасти связана с гибкостью, которую PSII демонстрирует при сборе солнечной энергии.
При низких уровнях света посредством квантовых процессов, которые были смоделированы Флемингом и его коллегами, фотон солнечного света можно использовать для создания химической энергии с вероятностью более 90 процентов. Благодаря защитному механизму, известному как «энергозависимое тушение», PSII может гарантировать, что растение поглощает только необходимое количество солнечной энергии, в то время как избыточная энергия, которая может повредить растение, безопасно рассеивается.
Более ранняя работа Флеминга и его исследовательской группы раскрыла молекулярный механизм, с помощью которого ФС II может действовать как своего рода фотосинтетический «диммер», регулирующий количество солнечной энергии, переносимой в реакционный центр. Однако эта работа была сделана для одной антенны ФСII и не отражала, как эти механизмы могут влиять на перенос энергии через ансамбли антенн, что, в свою очередь, должно влиять на фотохимический выход в реакционных центрах функциональной тилакоидной мембраны.
«Наша новая модель показывает, что энергия возбуждения распространяется диффузно через антенны с длиной диффузии 50 нанометров, пока не достигает реакционного центра», — говорит Флеминг. «Длина диффузии этой энергии возбуждения определяет высокую квантовую эффективность ФСII в идеальных условиях и то, как эта эффективность изменяется морфологией мембраны и закрытием реакционных центров. В конечном итоге это означает, что длина диффузии этой энергии возбуждения определяет эффективность фотосинтеза. растения-хозяина ".Учитывая, что способность PSII регулировать количество солнечной энергии, преобразуемой в химическую, имеет важное значение для оптимальной приспособленности растений к естественному солнечному свету, понимание этой способности и обучение манипулированию ею является необходимым условием для систематической разработки светоуборочного устройства для сельскохозяйственных культур.
Это также должно быть очень полезно для создания искусственных материалов с такими же гибкими свойствами.«Наш следующий шаг — научиться моделировать сложную систему PSII в масштабе времени от фемтосекунд до минут и масштабах длины от нанометров до микрометров», — говорит Флеминг.
Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США. Вычислительные работы проводились в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC), учреждении Министерства энергетики США по научным исследованиям, размещенном в лаборатории Беркли.