Исследование было проведено в лаборатории старшего научного сотрудника CIFAR Алана Аспуру-Гузика в Гарвардском университете научными сотрудниками CIFAR Дораном Беннеттом, Сэмюэлем Блау и Кристофом Крайсбеком в сотрудничестве со старшим научным сотрудником CIFAR Грегори Скоулзом в Принстонском университете. Их результаты были опубликованы в Трудах Национальной академии наук 27 марта.
Растения и водоросли впитывают солнечный свет и передают энергию, используя белки, содержащие цветные пигменты. Пигмент, возбуждаемый фотоном, может передавать эту энергию возбуждения другому соседнему пигменту — как передача эстафеты между бегунами в эстафете.
При повторении этого процесса энергия фотона переносится в реакционный центр, где она используется для производства кислорода и роста электростанции.Ученые давно задаются вопросом, как растения перемещают эту энергию так быстро и эффективно через большие скопления пигментов, окружающие каждый реакционный центр.
В этом исследовании исследователи сосредоточились на одном фотосинтетическом белке, известном как PC645. Используя компьютерное моделирование и экспериментальные данные, они обнаружили, что PC645 контролирует, куда идет энергия, настраивая колебания пигментов для улучшения передачи энергии по определенным маршрутам.«Вы можете представить эти белки, использующие колебания различных пигментов, таких как светофоры, которые посылают возбуждение в том или ином направлении», — объясняет Беннетт, который был в Торонто на встрече по программе солнечной энергии, вдохновленной CIFAR Bio.Например, когда «синий» пигмент возбуждается, он может передавать возбуждение ряду различных соседних пигментов с аналогичными энергиями.
Управляя вибрациями, белки могут направлять «синий» пигмент для передачи возбуждения определенному «красному» пигменту, тем самым пропуская пигменты с промежуточными цветами.«Странно то, что когда вы проводите эксперименты, возбуждение не спускается по энергетической лестнице.
Оно перескакивает с самой высокой ступени на самую низкую и никогда не касается чего-либо посередине. Это заставляет задуматься — почему ? И что еще более важно, как? " — говорит Беннет.Ранее исследователи думали, что это можно объяснить только квантовыми эффектами, такими как запутанность. Считалось, что вибронная когерентность — взаимодействие электрона и колебательного движения — необходима для быстрых переходов между очень разными энергетическими уровнями.
Однако это новое исследование предполагает, что необходима не вибронная когерентность, а большая полоса колебаний, которая перекрывает энергетический зазор между двумя пигментами.«С материальной точки зрения такой классический механизм более полезен, потому что он устойчив к разумным уровням беспорядка, которых могут достичь современные синтетические методы», — говорит Беннетт.Беннет и его коллеги проводят дальнейшие исследования в нескольких направлениях, в том числе продолжают изучать, как фотосинтетические белки могут контролировать и улучшать перенос энергии, необходимый для эффективного фотосинтеза. Они также заинтересованы в использовании этих принципов естественного дизайна для разработки новых материалов для солнечной энергии.
«Одна из ключевых проблем заключается в том, что нам нужны более совершенные инструменты, — объясняет Беннетт, — для этого моделирования потребовалось 10 миллионов процессорных часов и более двух лет человеческого времени для изучения одного белка. В будущем мы надеемся ускорить этот процесс, возможно, за счет заимствуя методы из области машинного обучения ".