Vías de disipación en un complejo fotosintético | JoVE Visualize

Área de la Ciencia:

Biofísica molecular y dinámica cuántica.
Fotosíntesis y complejos de recolección de luz.
Química computacional y física de la materia condensada.

Sus antecedentes:

Comprender el flujo de energía molecular es clave para las reacciones químicas, las propiedades de los materiales y la fotosíntesis.
Es un desafío dilucidar las vías moleculares específicas para la transferencia de energía en sistemas complejos.
El complejo Fenna-Matthews-Olson (FMO) media la transferencia de energía de los cloromasas de recolección de luz al centro de reacción fotosintético en bacterias de azufre verde.

Objetivo del estudio:

Investigar cómo se disipa la energía de excitación de fotones dentro del complejo FMO.
Aislar las contribuciones de los modos vibracionales de proteínas y pigmentos a la dinámica energética.
Identificar modos vibracionales específicos responsables de las vías de disipación de energía.

Principales métodos:

Se desarrolló una implementación computacional eficiente de una teoría para las vías de disipación en sistemas cuánticos abiertos.
Se utilizó la teoría de perturbación de segundo orden en acoplamientos electrónicos.
Se empleó un modelo FMO de última generación con densidades espectrales estructuradas y específicas de cromóforos.

Principales resultados:

La disipación de energía está dominada por modos vibracionales de baja frecuencia (<800 cm^-1) cerca de la resonancia con las brechas de energía de los estados electrónicos de los pigmentos.
Se identifican los modos de respiración en el plano (∼200 cm^-1) de las bacteriochlorofilas como cruciales para la disipación.
Las vibraciones intramoleculares de alta frecuencia (>800 cm^-1) no contribuyen a la disipación.
El complejo FMO toma prestada energía transitoriamente del entorno para disipar el exceso de energía fotónica.

Conclusiones:

Los modos vibracionales de baja frecuencia juegan un papel crítico en la dirección de la disipación de energía en el complejo FMO.
La dinámica de transferencia de energía implica un intercambio complejo con el entorno térmico, no estrictamente unidireccional.
Los hallazgos pueden informar el diseño de dispositivos artificiales de recolección de luz y sistemas de control químico/cuántico.