[論文レビュー] Optimal and robust energy transport in light-harvesting complexes: (II) A quantum interplay of multichromophoric geometries and environmental interactions

Masoud Mohseni, Alireza Shabani+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2011

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、FMO反応中心が、多クロモフォアの幾何学的配置と環境相互作用の量子的干渉を通じて、最適かつ頑健な励起エネルギー移動を達成することを明らかにした。効率が最大になるのは、再構成エネルギー × 温度 と バスのカットオフ周波数 × 平均励起子ギャップ の比 λT/γg が調整されたときである。本研究は、自然界のシステム、例えばFMOとLHCIIが、非マーカフゾン、非摂動的環境における固有の量子ダイナミクスのため、それぞれ7および14のクロモフォアで進化的に最適化されている可能性を示している。

ABSTRACT

Today, the physical principles for the high efficiency of excitation energy transfer in light-harvesting complexes are still not fully understood. Notably, the degree of robustness of these systems for transporting energy is not known considering their realistic interactions with vibrational and radiative environments within the surrounding solvent and scaffold proteins. In this work, we employ an efficient technique to simulate ultrafast quantum dynamics of such complex excitonic systems in their non-equilibrium environment in the non-perturbative and non-Markovian regimes. We demonstrate that the natural dynamics of the FMO complex leads to optimum and stable energy transport due to a convergence of energy/time scales among important internal and external parameters. In particular, we show that the FMO energy transfer efficiency is optimal and robust with respect to all the relevant parameters of environmental interactions and Frenkel-exciton Hamiltonian including reorganization energy \lambda, bath frequency cutoff \gamma, temperature T, bath spatial correlations, initial excitations, dissipation rate, trapping rate, disorders, and dipole moments orientations. We identify the ratio of \lambda T/\gamma\*g as a single key parameter governing quantum transport efficiency, where g is the average excitonic energy gap. Moreover, we explore energy transport in other disordered light-harvesting configurations beyond FMO geometry consisting of up to 20 chromophores. In particular, for random configurations embedded in spatial dimensions of 30 A and 50 A, we observe that the transport efficiency saturates to its maximum value if the systems contain 7 and 14 chromophores respectively. Remarkably, these optimum values coincide with the number of chlorophylls in FMO and LHCII monomers, respectively, suggesting a potential natural optimization with respect to the number of chromophores.

研究の動機と目的

• 現実的な環境条件下での光捕集複合体における高効率な励起エネルギー移動を可能にする物理的原理を理解すること。
• 環境パラメータおよび構造的不規則性の変動に対して、FMOおよび他の多クロモフォア系におけるエネルギー移動の頑健性を調査すること。
• 自然の複合体（例：FMOは7、LHCIIは14）に含まれるクロモフォアの数が、量子移動効率の自然的最適化を示しているかどうかを特定すること。
• 非平衡的、非摂動的状態における量子移動効率を支配する主要な環境的および励起子的パラメータを同定すること。

提案手法

• 超高速励起子プロセスをモデル化するため、非摂動的かつ非マーカフゾンな量子ダイナミクスシミュレーション手法を効率的に適用した。
• FMO複合体およびより大きな不規則な構成（最大20クロモフォア）を、30 Åおよび50 Åの空間的次元において、現実的な環境結合を伴ってモデル化した。
• 再構成エネルギー（λ）、バストルーカット周波数（γ）、温度（T）、散逸率、捕獲率、不規則性、およびクロモフォアの電気双極子モーメントの配向を体系的に変化させた。
• 非平衡状態における時間分解励起子集団ダイナミクスを用いて、エネルギー移動効率を定量化した。
• 多様な構成および環境条件下で移動効率を支配する普遍的なスケーリングパラメータ λT/(γg) を同定した。
• ランダムなクロモフォア配置における移動を探索し、最大効率を達成するための最適な系のサイズを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な環境相互作用下で、FMO複合体が最適かつ頑健な励起エネルギー移動を達成するための物理的メカニズムは何か？
• RQ2 多クロモフォアの幾何学的配置と環境パラメータ（例：λ、γ、T、空間的相関）の相互作用が、量子移動効率にどのように影響するか？
• RQ3 自然の光捕集複合体（例：FMOでは7、LHCIIでは14）に含まれるクロモフォアの数は、エネルギー移動の最適化を示していると見なせるか？
• RQ4 多様な環境的および構造的条件下で、量子エネルギー移動の頑健性と効率を支配する唯一のパラメータは何か？
• RQ5 不規則的で空間的に拡張した構成における系のサイズに伴い、移動効率はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• FMO複合体は、内部および環境的パラメータのエネルギーおよび時間スケールの収束により、最適かつ頑健なエネルギー移動を示す。
• 比 λT/(γg) が量子移動効率を支配する普遍的な制御パラメータであることが同定され、この比が適切に調整された際に最良の性能が得られる。
• ランダムな配置において、エネルギー移動効率は、30 Åの次元では7クロモフォア、50 Åの次元では14クロモフォアに達する最大値に飽和する。
• これらの最適な数（7および14）は、それぞれFMOおよびLHCIIモノマー複合体に含まれるクロロフィルの数と完全に一致しており、進化的な最適化を示唆している。
• 再構成エネルギー、温度、バストルーカット周波数、散逸率、捕獲率、不規則性、および双極子モーメントの配向の変動に対しても、システムは頑健である。
• 非マーカフゾン的および非摂動的環境効果は、高い効率を達成するために不可欠であり、従来のマーカフゾン近似の限界を強調している。