[論文レビュー] Size-Dependent Fluorescence Kinetics Reveal Contributions of Intrinsic Quenching and Singlet-Triplet Annihilation during LHCII Aggregation

Francois Conradie, Bertus van Heerden+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2026

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ひとこと要約

本論文は、分子の固有淐 quenching を STA（singlet–triplet annihilation）と分離するために、同時蛍光関連測定（FCS）と時間相関単一フォトン計数（TCSPC）を用いて、 detergents による凝集中の LHCII アグレゲートサイズと蛍光強度および減衰動力学を相関させる。

ABSTRACT

Aggregation of the main antenna complex of higher plants, Light-Harvesting Complex II (LHCII), is widely used as an in vitro model for energy-dependent quenching (qE), yet fluorescence reduction in aggregates is frequently interpreted without a quantitative separation of intrinsic quenching from excitation-induced annihilation. Here, we address this ambiguity by directly correlating aggregate size, concentration, steady-state fluorescence intensity, and decay kinetics during controlled, incremental aggregation of isolated LHCII. By combining fluorescence correlation spectroscopy (FCS) with TCSPC in a unified experimental framework, we monitored structural and photophysical changes in real time as detergent removal drives biphasic aggregation. We quantified the aggregate composition from the particle concentrations, enabling direct scaling of the absorption cross-section with aggregate size. The average fluorescence lifetime decreased semi-logarithmically with increases in hydrodynamic radius, whereas steady-state fluorescence intensities deviated strongly from this trend. Intensitydependent measurements and steady-state kinetic modeling reveal that singlet-triplet annihilation (STA) emerges at moderate excitation intensities and rapidly becomes the dominant contributor to fluorescence quenching, even for relatively small aggregates. In contrast, intrinsic quenching increases more gradually with aggregate size. By quantitatively disentangling intrinsic excitation quenching from annihilation processes, this work demonstrates that STA can govern the apparent photophysical response of aggregated LHCII across excitation regimes commonly considered non-annihilating. The size-dependent mechanistic framework presented here provides a basis for distinguishing intrinsic quenching from annihilation effects in aggregation-based studies of photosynthetic antenna complexes.

研究の動機と目的

• 凝集サイズが LHCII の蛍光量と寿命に与える影響を定量化する。
• 凝集中の固有励起 quenching と annihilationプロセスを分離する。
• 凝集構造（サイズ、濃度）と光物理経路を統合的な枠組みで結びつける。

提案手法

• 蛍光関連測定（FCS）と時間相関単一フォトン計数（TCSPC）を組み合わせ、界面駆動凝集中の強度、寿命、粒子数、および流体半径をモニターする。
• 粒子濃度から凝集体組成を定量化し、凝集サイズに応じて吸収断面をスケールさせる。
• ビクセソンフィットを用いて寿命成分を分解し、放射性、内部転換、系統間移動、quenching を競合する速度としてモデリングする。
• 凝集効果と励起強度効果を区別するために強度依存のTCSPC測定を行う。
• FCS由来の N と拡散時間を相関させて、凝集体あたりの三量体平均数 M を計算し、フラクタル成長ダイナミクスを解析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCII の凝集サイズは蛍光強度と寿命にどのように影響するか？
• RQ2 凝集中に固有の quenching と singlet–triplet annihilation (STA) を定量的に分離できるか？
• RQ3 凝集サイズ、吸収断面、および quenching 効率の関係は？
• RQ4 励起強度は凝集誘起 quenching と STA の寄与の相対性にどのように影響するか？
• RQ5 制御された界面剤除去下での LHCII 凝集の構造的成長ダイナミクスとフラクタル特性は何か？

主な発見

• STA は中程度の励起で出現し、 relatively 小さな凝集体であっても迅速に主要な quenching 経路となる。
• 固有 quenching は凝集サイズとともにより緩やかに増加し、STA とは別個に存在する。
• 蛍光寿命の二つの成分が観測される（約 0.35 ns と 3.6 ns）で、凝集関連 quenching および未 quenched 状態を示す振幅を持つ。
• 平均寿命は水和半径の増加に対して半対数的に減少する一方、定常状態強度は有効蛍光量の変化により非線形に減少する。
• 凝集は二相性の動力学で進行し、転換は M ≈ 10–20 の周辺で起こる； fractal 分析では d_f = 1.6 ± 0.1、拡散制限クラスター凝集のパターンと一致。
• 凝集体間で有効吸収断面を区分する方法は、 ensemble-averaged cross-section が凝集体あたりの三量体数、M にスケールすることを示している。