[論文レビュー] Quantum coherent contributions in biological electron transfer

Ross Dorner, John Goold+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Photosynthetic Processes and Mechanisms参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ホルシュタインハミルトニアンに基づく量子マスター方程式を用いて、複雑なIにおける生物的電子移動を統合的に記述するハイブリッド量子古典モデルを提案する。このモデルは、量子的コヒーレンスによるトンネル移動と非コヒーレントなホッピングを統合的に扱う。結果として、特にエネルギー準位が平坦な場合、量子コヒーレンスが電子移動速度を顕著に向上させることを示している。生理的温度下でも、わずか100ナノ秒の短いコヒーレントな振動が、輸送効率を向上させることを明らかにした。これは、完全に古典的拡散モデルに反する結果である。

ABSTRACT

Many biological electron transfer (ET) reactions are mediated by metal centres in proteins. NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) contains an intramolecular chain of seven iron-sulphur (FeS) clusters, one of the longest chains of metal centres in biology and a test case for physical models of intramolecular ET. In biology, intramolecular ET is commonly described as a diffusive hopping process, according to the semi-classical theories of Marcus and Hopfield. However, recent studies have raised the possibility that non-trivial quantum mechanical effects play a functioning role in certain biomolecular processes. Here, we extend the semi-classical model for biological ET to incorporate both semi-classical and coherent quantum phenomena using a quantum master equation based on the Holstein Hamiltonian. We test our model on the structurally-defined chain of FeS clusters in complex I. By exploring a wide range of realistic parameters we find that, when the energy profile for ET along the chain is relatively flat, just a small coherent contribution can provide a robust and significant increase in ET rate (above the semi-classical diffusive-hopping rate), even at physiologically-relevant temperatures. Conversely, when the on-site energies vary significantly along the chain the coherent contribution is negligible. For complex I, a crucial respiratory enzyme that is linked to many neuromuscular and degenerative diseases, our results suggest a new contribution towards ensuring that intramolecular ET does not limit the rate of catalysis. For the emerging field of quantum biology, our model is intended as a basis for elucidating the general role of coherent ET in biological ET reactions.

研究の動機と目的

• 量子コヒーレント効果が、複雑Iのような生物的系における電子移動に意味的に寄与しているかどうかを調査すること。
• マーカスやホプフィールドの半古典的電子移動理論と、バイオマoleculeにおける量子効果の新たな証拠を統合すること。
• メタロプロテインにおけるコヒーレントトンネル移動と非コヒーレントホッピングを両方含む統一的モデルを構築すること。
• 生理的条件下における生物的関連系で、量子コヒーレンスの機能的意義を評価すること。

提案手法

• モデルは、複雑Iの7つの鉄硫黄クラスターからなる鎖における電子移動を記述するため、ホルシュタインハミルトニアンに基づく量子マスター方程式を用いる。
• 隣接サイト間での電子ホッピング振幅 $ t_{j,j+1} $ を介して、コヒーレントトンネル移動を記述し、隣接サイト間での量子重ね合わせを可能にする。
• 非コヒーレントホッピングは、フォノンとの位相を破壊する非弾性散乱を考慮したマーカス・ジョーテナーの速度方程式でモデル化される。
• デコherenceは、調整可能な率 $ \gamma_0 $ を持つリンブレート項として導入され、量子的から古典的へと移行する過程を制御可能となる。
• 最終サイトにおける不可逆的キニオン還元をシミュレートするため、速度 $ R $ を持つシンク項を導入する。
• 全動的挙動は、コヒーレント進化、デコherence、非コヒーレントトンネル移動、シンクによる散逸を統合したボーン＝マークovマスター方程式によって支配される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生理的条件下で、量子コヒーレント効果が生物的系（例：複雑I）における電子移動速度を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 7クラスターのFeS鎖において、コヒーレントトンネル移動と非コヒーレントホッピングの相互作用が、電子移動効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 デコherenceが、電子移動における量子コヒーレンスの持続性と機能的影響をどのように調整するか？
• RQ4 エネルギー準位の分布（例：平坦な場合 vs. 変動する場合）が、量子コヒーレンスによる顕著な力学的利点をもたらす条件は何か？
• RQ5 100ナノ秒しか持続しない一時的な量子コヒーレンスであっても、全体の電子移動速度に意味的な寄与を果たすか？

主な発見

• FeS鎖に沿ったエネルギー準位が比較的平坦な場合、わずかなコヒーレント寄与でも、半古典的拡散速度を顕著に上回る、強固で顕著な電子移動速度の増加が観察された。
• 生理的温度（310 K）下で、低デコherence（$ \gamma_0 < 0.001 $ GHz）条件下では、隣接するFeSクラスター間で数マイクロ秒にわたってコヒーレント振動が持続し、顕著な量子的挙動が観測可能であることが示された。
• 中程度のデコherence（$ \gamma_0 \sim 0.001 $ GHz）条件下では、コヒーレント振動と非コヒーレントホッピングの建設的相互作用により、電子移動速度が最大値に達するが、コヒーレンス持続時間は約100ナノ秒にとどまる。
• 高デコherence領域（$ \gamma_0 > 1 $ GHz）では、量子コヒーレンスが抑制され、動的挙動は古典的マーカス・ジョーテナー拡散と定量的に一致し、モデルが既存理論と整合していることを確認した。
• モデルは、コヒーレンスが一時的であっても、キニオン還元速度を古典的限界に比べ最大2.5倍まで向上させられることを示した。
• 結果から、量子コヒーレンスが、特にエネルギー的に平坦な環境下で、複雑Iにおける電子移動が触媒的ターンオーバーを制限しないように機能的に寄与している可能性が示唆された。