Fotosinteza pokreće čitav život na Zemlji. Složeni procesi su potrebni za pretvaranje ugljen-dioksida i vode u energetski bogat šećer i kiseonik na sunčevu svetlost. Ove procese pokreću dva proteinska kompleksa, fotosistemi I i II. U fotosistemu I, sunčeva svetlost se koristi sa efikasnošću od skoro 100%. Ovde složena mreža od 288 hlorofila igra odlučujuću ulogu.
Tim koji predvodi hemičarka LMU Regina de Vivie-Riedle sada je okarakterisao ove hlorofile uz pomoć visoko preciznih kvantnih hemijskih proračuna – važna prekretnica ka sveobuhvatnom razumevanju prenosa energije u ovom sistemu. Ovo otkriće može pomoći da se iskoristi njegova efikasnost u veštačkim sistemima u budućnosti.
Hlorofili u fotosistemu I hvataju sunčevu svetlost u kompleks antene i prenose energiju u reakcioni centar. Tamo se solarna energija koristi za pokretanje redoks procesa – to jest, hemijskog procesa kojim se prenose elektroni. Kvantni prinos fotosistema I je skoro 100%, što znači da skoro svaki apsorbovani foton dovodi do redoks događaja u reakcionom centru.
„Iako je komplikovan prenos energije unutar fotosistema proučavan decenijama, do danas ne postoji konsenzus o tačnom mehanizmu“, kaže de Vivi-Ridl. Da bi stekli dublji uvid, istraživači su simulirali svetlosnu ekscitaciju svih hlorofila u modelu fotosistema koji sam ugradio u lipidnu membranu. Za izračunavanje elektronskih pobuda korišćena je visokoprecizna multireferentna metoda. U poređenju sa ranijim studijama, ovaj pristup omogućava da se fotosistem I opiše na osnovu najsavremenije metodologije. Komplikovane proračune omogućio je superkompjuter u Lajbnicovom superkompjuterskom centru.
Rezultati studije, koja se nalazi na naslovnoj strani časopisa Chemical Science, otkrivaju takozvane „crvene hlorofile“ koji apsorbuju svetlost sa nešto nižim energijama od svojih suseda zbog ambijentalnih elektrostatičkih efekata. Kao rezultat, njihov apsorpcioni spektar je pomeren u crveno. Analogno tome, istraživači su takođe identifikovali energetske barijere između kompleksa antene i reakcionog centra, između ostalog. „Ovo izgleda iznenađujuće na prvi pogled jer ne postoji očigledan gradijent duž kojeg se energija prenosi od kompleksa antene do reakcionog centra“, objašnjava glavni autor Sebastijan Rajter.
U fiziološkim uslovima, međutim, ceo fotosistem I je podložan toplotnim fluktuacijama koje prevazilaze ove energetske barijere, pošto se relativne energije hlorofila menjaju jedna u odnosu na drugu. Na taj način se novi putevi u reakcioni centar mogu stalno otvarati, dok se drugi zatvaraju. Ovo bi, prema osnovnoj tezi autora, moglo biti ključ visoke efikasnosti fotosistema I.
„Naša atomistička simulacija ovih procesa omogućava mikroskopsko razumevanje sistema i njegove dinamike u njegovom prirodnom okruženju, komplementarno eksperimentalnim pristupima“, zaključuje Regina de Vivie-Riedle, koja je takođe članica klastera izvrsnosti za e-konverzije.
Jedan od ciljeva klastera je da jednog dana prenese efikasnost prirodnih fotokatalizatora na veštačke nano-bio hibridne sisteme za aplikacije kao što su proizvodnja vodonika kao nosioca energije ili konverzija ugljen monoksida u gorivo. Ovo zahteva bolje razumevanje mehanizma prenosa energije. Sa svojim rezultatima na fotosistemu I, naučnici su sada napravili važan korak ka ostvarenju ovog cilja.
