Die Quantenvisualisierungstechnik gibt Einblick in die Photosynthese

6. Juni 2023

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vom Grainger College of Engineering der University of Illinois

Systeme, die der Quantenmechanik gehorchen, sind bekanntermaßen schwer zu visualisieren, aber Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben eine Illustrationstechnik entwickelt, die Quantenmerkmale in einem leicht lesbaren Diagramm namens Kohärenzkarte darstellt. Mithilfe dieser Karten untersuchten die Forscher die Quantenmechanismen, die der Photosynthese zugrunde liegen, dem Prozess, bei dem Pflanzen und einige Bakterien Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid und Wasser in Nahrung umzuwandeln.

„Es war kaum zu glauben, wie einfach Kohärenzkarten sind“, sagte Nancy Makri, Professorin für Chemie an der U. of I. und Projektleiterin. „Wenn es um nicht-intuitive Quantenphänomene als Teil komplexer Prozesse wie der Photosynthese geht, kann die Interpretation theoretischer Berechnungen eine ziemliche Herausforderung sein. Kohärenzkarten zeigen Ihnen jedoch alles, was Sie wissen müssen, in einer Momentaufnahme.“

In einer im Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlichten Studie verwendete Makris Forschungsgruppe Kohärenzkarten, um frühere Computersimulationen photosynthetisierender Bakterien auf neue Weise zu analysieren. Die Forscher untersuchten den Molekülkomplex, der Sonnenlicht „erntet“, es absorbiert und seine Energie an einen chemischen Reaktionsort überträgt, wo Kohlendioxid und Wasser verarbeitet werden. Kohärenzkarten zeigten nicht nur deutlich, wie Energie auf den Reaktionsort übertragen wurde, sondern lieferten auch eine klare Quantenerklärung für die Übertragung.

Makri erklärte, dass Kohärenzkarten Abbildungen der Matrix mit reduzierter Dichte sind, einem mathematischen Objekt, das alle Informationen über das Quantenverhalten eines Systems enthält. „Selbst bei Systemen bescheidener Größe wird die Matrix mit reduzierter Dichte ziemlich groß und alle ihre Komponenten hängen miteinander zusammen“, sagte sie. „Es sind einfach zu viele Informationen, um sie zu analysieren. Bei Kohärenzkarten tauchen jedoch auf den ersten Blick eine Menge Informationen aus den Bildern auf.“

Diese Informationen ermöglichten es den Forschern, die Energieübertragungswege im bakteriellen Lichtsammelkomplex „sehr transparent“ zu identifizieren, so Makri. Der Komplex enthält einen äußeren und einen inneren Ring aus Molekülen. Der äußere Ring absorbiert Sonnenlicht und der innere Ring enthält den Ort der chemischen Reaktion. Makris Gruppe zeigte, dass die beiden Ringe durch die Bewegungen der Atome in den Molekülen verbunden sind, und Kohärenzkarten zeigten deutlich, dass diese Bewegungen Energie vom äußeren Ring zum inneren Ring bündeln.

„Mit Blick auf die Zukunft glaube ich, dass Kohärenzkarten ein unschätzbar wertvolles Werkzeug für theoretische Analysen auf der Grundlage der Quantenmechanik sein werden“, sagte Makri. „Gerade in dieser Studie haben sie wichtige Einblicke in den Photosynthesemechanismus gegeben, eines der großen Geheimnisse der Biologie.“

Makris Forschungsgruppe berichtete in „Science Advances“ über Simulationen des Energieübertragungsmechanismus in photosynthetisierenden Bakterien, und die Gruppe stellte Kohärenzkarten in „The Journal of Physical Chemistry B“ vor.

Mehr Informationen: Reshmi Dani et al., Coherence Maps and Flow of Excitation Energy in the Bacterial Light Harvesting Complex 2, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00670

Zeitschrifteninformationen:Journal of Physical Chemistry Letters

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