Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системахНИР

Photobiophysics of solar energy conversion in living systems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах
Результаты этапа: В соответствии с выдвинутой нами концепцией жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию мы продолжали целенаправленный поиск в природных светособирающих антеннах тех фундаментальных принципов их организации, которые были предсказаны нами теоретически для оптимальных светособирающих систем. Самой большой антенной обладают зеленые фотосинтезирующие бактерии, способные расти в широком диапазоне интенсивностей света, адаптируясь к низким интенсивностям путем увеличения размера периферической БХл c/d/e-антенны. Однако, вариабельность размера антенны делает проблему оптимизации ее структуры более острой, так как эффективность переноса энергии от антенны к реакционным центрам обратно пропорциональна размеру антенны. Проведенные модельные расчеты показали, что агрегация пигментов светособирающей антенны – будучи сама по себе одним из универсальных структурных факторов, оптимизирующих функционирование любой антенны – позволяет управлять эффективностью антенны, если степень агрегации пигментов является переменным параметром: эффективность антенны растет с увеличением размера единичного агрегата антенны. Это означает, что изменение степени агрегации пигментов, контролируемое размером светособирающей антенны, а, следовательно, и интенсивностью света роста бактерий, биологически целесообразно. На примере олигомерных хлоросомных БХл с-суперантенн фотосинтезирующих зеленых бактерий (принадлежащих двум разным семействам, Chloroflexaceae и Oscillochloridaceae) методами линейной и нелинейной спектроскопии показано, что этот принцип оптимизации структуры вариабельной антенны действительно реализуется in vivo. В частности, показано, что в олигомерных хлоросомных БХл с-суперантеннах зеленых бактерий единичный БХл с-агрегат имеет малый размер (3 ≤ n ≤ 7), а степень агрегации БХл с является переменным параметром, контролируемым размером всей БХл с-суперантенны, который, в свою очередь, контролируется интенсивностью света в процессе роста культуры клеток. Таким образом, осуществляемый светом контроль не только размера периферической олигомерной хлоросомной БХл с-антенны, но и размера единичного строительного блока этой БХл с-антенны позволяет зеленым фотосинтезирующим бактериям выживать в широком диапазоне интенсивностей света. При уменьшении интенсивности света размер БХл с-антенны возрастает, компенсируя дефицит световой энергии увеличением поглощательной способности антенны. Неизбежное падение эффективности функционирования антенны при увеличении ее размера компенсируется, в свою очередь, увеличением размера единичного строительного блока этой олигомерной антенны, обеспечивая, тем самым, высокую эффективность функционирования БХл с-антенны независимо от ее размера.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах. Этап 3
Результаты этапа: 1. Исследования структуры и функции светособирающих антенн Настоящая работа продолжает цикл исследований стратегии эффективного функционирования природных светособирающих антенн в соответствии с нашей концепцией жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию. Проведенные исследования позволили разработать модели оптимального сопряжения однородных субантенн в неоднородных суперантеннах, что обеспечивает высокую эффективность функционирования всей суперантенны в целом. Целенаправленный поиск в суперантенне фотосинтезирующих зеленых бактерий Chloroflexus (Cf.) aurantiacus теоретически предсказанных структурных факторов, оптимизирующих функционирование этой суперантенны, позволил разработать модель ориентации диполей БХл а-субантенны Б798 базовой пластинки хлоросомы, оптимально сопрягающей экстрамембранную хлоросомную БХл с-субантенну Б740 с мембранной БХл а-субантенной Б808-866, связанной с реакционными центрами Cf.aurantiacus. Модельные расчеты, проведенные для одиночной хлоросомы Cf.aurantiacus, показали, что в суперантенне Cf.aurantiacus оптимальное сопряжение однородных субантенн Б740, Б798 и Б808, достигающееся оптимизацией неизвестной ориентации диполей Qy-переходов БХл а субантенны Б798, приводит к устойчивой минимизации времени переноса энергии Б740-->Б798-->Б808. Полученные данные соответствуют теоретической модели оптимальной одноосной ориентации БХл а-диполей, хаотично ориентированных вокруг нормали к мембране с углом наклона к плоскости мембраны φопт ≈ 54±3°. Найденная теоретически модель оптимальной ориентации диполей Qy-переходов молекул мономерного БХл а субантенны Б798 в суперантенне Cf.aurantiacus экспериментально подтверждена методом дифференциальной поляризационной абсорбционной спектроскопии с фемтосекундным разрешением. С помощью полученной нами теоретической зависимости стационарного значения параметра анизотропии поглощения от угла наклона диполей БХл а к плоскости мембраны при хаотичной ориентации этих диполей вокруг нормали к мембране было определено, что векторы дипольных моментов Qy-переходов БХл а субантенны Б798, хаотично ориентированные вокруг нормали к мембране, образуют с плоскостью мембраны угол φ ≈ 55°, то есть ~35° - с нормалью к мембране, что хорошо соответствует теоретически предсказанному оптимальному значению φопт ≈ 54±3 ° . Таким образом, показано, что оптимальная взаимная пространственная ориентация диполей Qy -переходов пигментов субантенн фотосинтезирующих организмов приводит к устойчивой минимизации времени переноса энергии между ними, а, следовательно, и к уменьшению энергетических потерь в этих антеннах, обеспечивая высокую эффективность и стабильность функционирования всей суперантенны [Yakovlev Andrei, Novoderezhkin Vladimir, Taisova Alexandra, Shuvalov Vladimir, Fetisova Zoya. Photosynthesis Research, издательство Kluwer Academic Publishers (Netherlands), 2015, том 125, № 1, с. 31-42]. 2. Исследование первичных процессов разделения зарядов в реакционных центрах фотосинтеза Изучались процессы релаксации энергии возбужденного состояния димера бактериохлорофилла Р* фотосинтезирующих бактерий. Теоретическое моделирование проводили в некогерентном многомодовом приближении. Экспериментально исследовали реакционные центры мутанта YM210W Rba. sphaeroides, в котором состояние Р* законсервировано в диапазоне десятков пикосекунд. Найдено, что релаксация энергии возбуждения Р* отражается на форме разностных спектров поглощения в фемтосекундном диапазоне. Дана оценка характерных времен электронной (~50 фс) и колебательной (~120 фс) релаксации в состоянии Р*. С помощью методов молекулярной динамики исследован диэлектрический отклик на разделение зарядов внутри димера Р. Предложен механизм диссипации энергии возбуждения Р за счет упругих колебаний ближайшего окружения Р. [Yakovlev Andrei, Shuvalov Vladimir. Photosynthesis Research, издательство Kluwer Academic Publishers (Netherlands), 2015, том 125, № 1, с. 9-22]. 5. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА Фотосинтез, первичные процессы, перенос энергии, светособирающая антенна (структура и функция), модельные расчеты (поиск оптимальных структур), реакционный центр, разделение зарядов, перенос электрона.
4 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах.
Результаты этапа: Исследован ряд биофизических аспектов первичного разделения зарядов под действием света в реакционных центрах (РЦ) фотосинтеза, к числу которых относятся роль неактивной В-цепи пигментов, влияние белкового окружения на разделение зарядов, участие мономерного бактериохлорофилла ВА в первичном акцептировании электрона. Раскрыта важная роль молекул кристаллографической воды и тирозина М210, входящих в ближайшее окружение ВА, в переносе и стабилизации электрона. Показана связь коллективных ядерных движений и переноса электрона при разделении зарядов. Первичный акт фотосинтеза заключается в преобразовании энергии света в энергию разделенных зарядов, которая используется в дальнейших реакциях фотосинтеза. Он происходит в специальных пигмент-белковых комплексах (реакционных центрах) в пикосекундном диапазоне с предельно высокой (~100%) квантовой и высокой (~50-60%) энергетической эффективностью. Первичный перенос электрона в РЦ происходит с высокой скоростью между кофакторами хлорофилловой природы, взаимное расположение которых обеспечивается структурой белка реакционных центров. Каждый новый этап переноса электрона сопровождается потерей энергии исходно поглощенного кванта в обмен на увеличение времени диссипации запасенной энергии при постепенном его увеличении на каждом этапе разделения зарядов. Эти потери можно считать платой за все большую стабилизацию электрона на промежуточных акцепторах по мере удаления от димера. Максимально высокая скорость прямых реакций переноса электрона, намного превышающая скорость процессов рекомбинации и релаксации, является ключевым фактором, обеспечивающим высокую эффективность работы реакционных центров и фотосинтеза в целом. Совокупность перечисленных факторов обеспечивает направленность переноса электрона в РЦ.
5 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах.
Результаты этапа: 1.В лаборатории структуры и функции светособирающих антенн сформулирована и экспериментально доказана концепция жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию, позволяющая открывать не только фундаментальные принципы организации природных светособирающих систем, но и стратегию эффективного функционирования этих антенн в широком диапазоне интенсивностей поглощаемого ими солнечного света. В отчетном году теоретически и экспериментально доказана одна из предсказанных ранее стратегий эффективного функционирования природных периферических антенн в широком диапазоне интенсивностей света. В частности, открыта контролируемая интенсивностью света роста вариабельность степени агрегации единичного строительного блока светособирающей периферической антенны фотосинтезирующих бактерий. Методами оптической линейной и нелинейной спектроскопии показано, что интенсивность света роста организмов осуществляет контроль не только размера всей периферической бактериальной антенны, но и размера единичного строительного блока этой антенны. 2.В лаборатории структуры и функции светособирающих антенн сформулирована и экспериментально доказана концепция жесткой оптимизации структуры фотосинтезирующего аппарата по функциональному критерию, позволяющая открывать не только фундаментальные принципы организации природных светособирающих систем, но и стратегию эффективного функционирования этих антенн в широком диапазоне интенсивностей поглощаемого ими солнечного света. В отчетном году теоретически и экспериментально доказана одна из предсказанных ранее стратегий эффективного функционирования природных периферических антенн в широком диапазоне интенсивностей света. В частности, открыта контролируемая интенсивностью света роста вариабельность степени агрегации единичного строительного блока светособирающей периферической антенны фотосинтезирующих бактерий. Методами оптической линейной и нелинейной спектроскопии показано, что интенсивность света роста организмов осуществляет контроль не только размера всей периферической бактериальной антенны, но и размера единичного строительного блока этой антенны. С помощью дифференциальной фемтосекундной спектроскопии исследо- вана релаксация энергии в реакционных центрах (РЦ) мутанта YM210L пур- пурной фотосинтезирующей бактерии Rhodobacter (Rba.) sphaeroides при низкой температуре (90 К). Обнаружен динамический сдвиг вынужденно- го излучения возбужденного состояния димера бактериохлорофилла Р* в длинноволновую сторону, который начинается одновременно с формиро- ванием Р* и сопровождается изменением формы спектра этого излучения. Характерная величина этого сдвига составила около 30 нм, а характерное время – около 200 фс. В дифференциальных кинетиках ΔА, измеренных при фиксированных длинах волн, фемтосекундный сдвиг вынужденного излуче- ния Р* проявляется в виде зависимости этих кинетик от длины волны. Пока- зано, что найденный длинноволновый сдвиг согласуется с представлениями об электронно-колебательной релаксации возбужденного состояния Р*, ес- ли принять константы времени колебательной и электронной релаксации равными 100 и 50 фс, соответственно. Обсуждаются такие альтернативные механизмы динамического сдвига спектра вынужденного излучения Р*, как перераспределение энергии между колебательными модами и когерентное возбуждение мод. ИСТИНА
6 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах.
Результаты этапа: В 2018 году мы изучали структуру хлоросом зеленых фотосинтезирующих бактерий. В этих уникальных объектах имеет место пространственная самоорганизация молекул бактериохлорофилла без участия белка, в результате чего получается структура, оптимальная для эффективного улавливания очень слабых потоков света. Несмотря на многочисленные исследования, единое мнение относительно пространственной организации хлоросомныз антенн до сих пор не достигнуто. С помощью когерентной фемтосекундной спектроскопии при криогенной температуре мы впервые показали, что сверх-низкочастотные (~101 см−1) колебания молекул бактериохлорофилла с в изолированных хлоросомах зеленой фотосинтезирующей бактерии Chloroflexus aurantiacus зависят от степени олигомеризации этих молекул, которая, в свою очередь, зависит от освещенности клеточной культуры во время ее роста. Мы объяснили этот эффект сопряжением делокализованных колебательных мод молекул бактериохлорофилла с, которые объединены в цепи внутри отдельных строительных блоков антенн. Полученные данные, вместе с другими спектроскопическими и микроскопическими данными, подтверждают, что единичные строительные блоки хлоросомных антенн Chloroflexus aurantiacus состоят из довольно коротких (2-5 молекул) квази-линейных цепей. Представленный в настоящей работе подход перспективен для прямого изучения пространственных и динамических свойств олигомерных систем.
7 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах.
Результаты этапа: За эффективный светосбор в хлоросомах фотосинтезирующих зеленых бактерий Chloroflexus (Cfx.) aurantiacus отвечают светособирающие пигменты бактериохлорофилла (Бхл) с , находящиеся в агрегированном состоянии. Поглощение света создает в Бхл с-агрегатах возбужденные состояния. После субпикосекундной стадии внутрихлоросомного переноса энергии, ее перераспределения и релаксации энергия возбуждения передается пигментам Бхл а-субантенны и далее энергопреобразующим реакционным центрам за пикосекундные времена. В настоящей работе изучалась фемтосекундная динамика возбужденных состояний в Бхл с-олигомерах изолированных хлоросом Cfx. аurantiacus методом двойной дифференциальной спектроскопии возбуждения-зондирования при комнатной температуре. Дифференциальные спектры (свет – темнота). соответствующие возбуждению 725 нм (синяя граница полосы поглощения Бхл с) сравнивались с таковыми, соответствующими возбуждению 750 нм (красная граница полосы поглощения Бхл с). Очень быстрый компонент кинетики нарастания (с константой времени 70±10 fs) был зарегистрирован в полосе стимулированного излучения при возбуждении 725 нм. Этот компонент отсутствовал при возбуждении 750 нм. Эти данные были интерпретированы как наличие динамического красного сдвига стимулированного излучения из-за релаксации возбужденного состояния. Развита теория о природе и механизме динамики сверхбыстрого возбужденного состояния в хлоросомных Бхл с-агрегатах Cfx. аurantiacus.
8 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах.
Результаты этапа: Исследовали хлоросомные антенны, выделенные из культур клеток зеленых фотосинтезирующих бактерий Chloroflexus aurantiacus (Cfx.), выращенных при разных интенсивностях света,и , следовательно, имеющие разный размер. Мы показали экспериментально. что гиперхромизм\гипохромизм Q-\B-полос поглощения пропорционален размеру хлоросомной антенны. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов привело к выводу, что единичный строительный блок хлоросомных род-элементов Cfx.aurantiacus состоит из нескольких коротких БХл с-цепей, содержащих от 3 до 5 БХл с-молекул в зависимости от интенсивности света роста культуры клеток. Таким образом, мы продемонстрировали контролируемую интенсивностью света роста вариабельность степени агрегации БХл с в единичном строительном блоке вариабельной периферической антенны Cfx.aurantiacus хлоросом. Такой контроль за размером антенны позволяет организмам выживать в широком диапазоне интенсивностей света. Первичные процессы светосбора в фотосинтезирующих организмах очень эффективны благодаря оптимизации структуры по функциональному критерию (Фетисова, Фокб 1984). Одним из оптимизирующих факторов является степень олигомеризации антенных пигментов (Fetisova et al., 1989), которая возможна благодаря самоагрегации хлорофиллов (Smith et al.,1983). Самоорганизация упорядоченных систем является ключевым свойством всех живых систем.
9 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах.
Результаты этапа: С помощью фемтосекундной спектроскопии (временное разрешение 25 фс) исследовались перенос и трансформация энергии светового возбуждения в хлоросомах зеленой фотосинтезирующей бактерии Chloroflexus (Cfx.) aurantiacus. Для этого состояние S2 каротеноидов (Кар) и состояния Сорэ олигомеров основного пигмента BChl c активировались на длине волны ~500 нм, а изменения поглощения зондировались в диапазоне 400-1000 нм. С помощью глобального математического анализа данных получено, что перенос энергии возбуждения от Кар на BChl c происходит в течение~100 фс, а преобразование энергии Сорэ→Q в BChl c происходит еще быстрее за ~40 фс. Эти процессы сопровождаются экситонной и колебательной релаксацией в течение 100-270 фс. Перенос энергии от BChl c на BChl a базовой пластинки происходит намного медленнее в пс диапазоне. Кроме того, обнаружено сверхбыстрое (~15 фс) смещение спектра поглощения состояния S2 Кар на величину >130 нм. Найдено, что переход S2→ S1 в Кар происходит за ~190 фс, а время жизни S2 Кар составляет 74 фс. Детальное сравнение данных для хлоросом с различным содержанием Кар подтвердило эти выводы. Полученные данные расширили наши представления о связи наблюдаемой динамики экситонов и структурной гетерогенности хлоросом, а также позволили предположить существование промежуточного состояния, которое участвует в процессе Сорэ→Q трансформации энергии в хлоросомных BChl c. Данные по динамическому смещению спектра S2 Кар анализировались с помощью представлений о когерентном и некогерентном переносе энергии внутри состояния S2.
10 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах.
Результаты этапа: В данной работе мы впервые изучили сдвиг электрохромной полосы (эффект Штарка) в каротиноидах фототрофной нитчатой зеленой бактерия Chloroflexus (Cfx.) aurantiacus, индуцированный фс световым возбуждением основного пигмента хлоросом БХл c. Высокая точность спектральных измерений позволила выделить небольшую волнообразную особенность спектра, которая, очевидно, может быть связана с динамическим сдвигом полосы поглощения каротиноидов. Глобальный анализ данных спектроскопии и теоретическое моделирование спектров поглощения показало, что около 60% каротиноидов хлоросом демонстрируют красное штарковское смещение ~ 25 см–1, а остальные 40% - синее смещение. Мы интерпретировали это открытие как свидетельство различной ориентации каротиноидов в хлоросомах. Мы оценили среднее значение индуцированной светом напряженности электрического поля в области локализации молекул каротиноидов ~ 106 Вт/см, а среднее расстояние между каротиноидами и соседними молекулами БХл c ~ 10 Å. Мы пришли к выводу, что динамика сдвига электрохромной полосы каротиноидов в основном отражает динамику миграции экситонов по хлоросоме к базовой пластинке в течение ~ 1 пс. Наша работа однозначно показала, что в хлоросомах каротиноиды являются чувствительными индикаторами индуцированных светом внутренних электрических полей.Результаты исследований опубликованы в ведущем научном журнале по фотосинтезу - Photosynthesis Research.
11 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Фотобиофизика конверсии солнечной энергии в живых системах
Результаты этапа: Изучалась динамика экситонной релаксации в хлоросомах Cfx. aurantiacus с помощью разностной фемтосекундной спектроскопии при криогенной температуре (80 К). Хлоросомы возбуждались световыми импульсами длительностью 20 фс на длинах волн в диапазоне от 660 до 750 нм, а разносные (свет–темнота) кинетики поглощения измерялись на длине волны 755 нм. Математический анализ полученных данных выявил кинетические компоненты с характерными временами 140, 220 и 320 фс, отвечающие за экситонную релаксацию. По мере уменьшения длины волны возбуждения количество и относительный вклад этих компонент увеличивались. Теоретическое моделирование полученных данных было проведено на основе представлений о цилиндрическом строении агрегатов БХл c. Безызлучательные переходы между группами экситонных полос описывались системой кинетических уравнений. Наиболее адекватной оказалась модель, учитывающая энергетический и структурный беспорядок хлоросом. Исследовали спектры поглощения и кругового дихроизма хлоросом, выделенных из зеленых фотосинтезирующих бактерий Chloroflexus aurantiacus, выращенных при разной освещенности. Обнаружили, что по мере уменьшения этой освещенности спектры сдвигаются в красную сторону и становятся уже и больше по амплитуде. Выполнили теоретическое моделирование полученных данных с помощью теории экситонов. Пришли к выводу о том, что количество молекул бактериохлорофилла c в линейных цепях, составляющих основу элементарных блоков хлоросом, становится больше по мере уменьшения интенсивности света, при котором выращиваются бактерии. Предположили, что данное явление увеличивает эффективность улавливания слабых световых потоков и тем самым повышает шансы на выживание бактерий в условиях дефицита солнечного света.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".