高精度の量子化学を使用して、光合成における超効率的なエネルギー移動を研究する

光合成は、地球上のすべての生命を動かしています。太陽光を利用して二酸化炭素と水をエネルギー豊富な糖と酸素に変換するには、複雑なプロセスが必要です。これらのプロセスは、2 つのタンパク質複合体、光化学系 I および II によって駆動されます。光化学系 I では、太陽光がほぼ 100% の効率で使用されます。ここでは、288 個のクロロフィルの複雑なネットワークが決定的な役割を果たしています。

LMU の化学者である Regina de Vivie-Riedle が率いるチームは、高精度の量子化学計算を利用してこれらのクロロフィルの特徴を明らかにしました。これは、このシステムにおけるエネルギー移動の包括的な理解に向けた重要なマイルストーンです。この発見は、将来、人工システムでその効率を活用するのに役立つ可能性があります。

光化学系のクロロフィルは、アンテナ複合体で太陽光を捉え、エネルギーを反応中心に伝達します。そこでは、太陽エネルギーが酸化還元プロセス、つまり化学プロセスを引き起こすために使用されます。引き起こすために使用されます。光化学系 I の量子収率はほぼ 100% です。これは、吸収されたほぼすべての光子が反応中心で酸化還元イベントを引き起こすことを意味します。

自然条件下でのシミュレーション

「光化学系内部の複雑なエネルギー移動は何十年にもわたって研究されてきましたが、正確なメカニズムについては今日までコンセンサスがありません」と de Vivie-Riedle は言います。より深い洞察を得るために、研究者は脂質膜に埋め込まれた光化学系 I のモデルですべてのクロロフィルの光励起をシミュレートしました。電子励起の計算には、非常に正確なマルチリファレンス法が使用されました。以前の研究と比較して、このアプローチにより、光化学系 I を最先端の方法論に基づいて記述することができます。複雑な計算は、ライプニッツ スーパーコンピューティング センターのスーパーコンピューターによって可能になりました。

この研究結果は、ケミカル サイエンス誌の表紙を飾っています。周囲の静電効果により、隣接するものよりもわずかに低いエネルギーで光を吸収する、いわゆる「赤いクロロフィル」を明らかにしました。その結果、それらの吸収スペクトルは赤方偏移します。同様に、研究者は、アンテナ複合体と反応中心の間などのエネルギー障壁も特定しました。「エネルギーがアンテナ複合体から反応中心に移動する明確な勾配がないため、これは一見驚くべきことのように思えます」と筆頭著者の Sebastian Reiter は説明します。

ゆらぎがエネルギー障壁を乗り越える

しかし、生理学的条件下では、クロロフィルの相対エネルギーが互いに変化するため、光化学系I全体がこれらのエネルギー障壁を克服する熱変動の影響を受けます。このようにして、反応センターへの新しい経路が常に開かれ、他の経路が閉じられます。著者らの中心的な論文によると、これが光化学系 I の高効率の鍵となる可能性があります。

「これらのプロセスの原子論的シミュレーションにより、実験的アプローチを補完する、自然環境におけるシステムとそのダイナミクスの微視的理解が可能になります。

クラスターの目標の 1 つは、天然の光触媒の効率を、エネルギー担体としての水素の生成や一酸化炭素の燃料への変換などのアプリケーション向けの人工ナノバイオ ハイブリッド システムにいつの日か移すことです。これには、エネルギー伝達メカニズムをよりよく理解する必要があります。光化学系 I に関する結果により、科学者はこの目標の実現に向けて重要な一歩を踏み出しました。

（リンク：https://phys.org/news/2023-03-high-precision-quantum-chemistry-super-efficient-energy.html）