[논문 리뷰] Fundamental mechanisms of noise supported energy transfer in biological systems

Filippo Caruso, Alex W. Chin외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 01. 28.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies참고 문헌 25인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 환경적 노이즈—특히 위상 분리(dephasing)—가 파편화된 간섭을 억제하고 선 폭 증가를 유도함으로써 생물학적 네트워크에서 양자 에너지 전달을 향상시킬 수 있음을 규명한다. 이는 새로운 전달 경로를 창출하는 데 기여한다. 완전히 연결된 네트워크에서 불변 부분공간을 식별하기 위한 분석 기법을 사용하여, FMO 복합체와 색소체와 같은 광합성 복합체에서의 흥(excitation) 전달이 높은 효율성과 강건성을 보이는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

Excitation transfer through interacting systems plays an important role in many areas of physics, chemistry, and biology. The uncontrollable interaction of the transmission network with a noisy environment is usually assumed to deteriorate its transport capacity, especially so when the system is fundamentally quantum mechanical. Here we identify key mechanisms through which noise such as dephasing, perhaps counter intuitively, may actually aid transport through a dissipative network by opening up additional pathways for excitation transfer. We show that these are processes that lead to the inhibition of destructive interference and exploitation of line broadening effects. We illustrate how these mechanisms operate on a fully connected network by developing a powerful analytical technique that identifies the invariant (excitation trapping) subspaces of a given Hamiltonian. Finally, we show how these principles can explain the remarkable efficiency and robustness of excitation energy transfer from the light-harvesting chlorosomes to the bacterial reaction center in photosynthetic complexes and present a numerical analysis of excitation transport across the Fenna-Matthew-Olson (FMO) complex together with a brief analysis of its entanglement properties. Our results show that, in general, it is the careful interplay of quantum mechanical features and the unavoidable environmental noise that will lead to an optimal system performance.

연구 동기 및 목표

• 환경적 노이즈가 일반적으로 해로운 것으로 간주되지만, 양자 생물학적 시스템에서 에너지 전달을 향상시킬 수 있는 방식을 이해하는 것.
• 노이즈(예: 위상 분리)가 소산 네트워크에서 전달 효율을 향상시키는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 흥(excitation) 포획을 연구하기 위해 해밀토니안 네트워크에서의 불변 부분공간을 식별하기 위한 분석 프레임워크를 개발하는 것.
• FMO 복합체와 색소체와 같은 광합성 복합체에서의 에너지 전달이 높은 효율성과 강건성을 보이는 이유를 설명하는 것.

제안 방법

• 완전히 연결된 네트워크에서 주어진 해밀토니안의 불변(흥 포획) 부분공간을 식별하기 위한 새로운 분석 기법을 개발하였다.
• 이 기법을 사용하여 노이즈가 전달 경로를 어떻게 수정하는지 분석하기 위해 완전히 연결된 네트워크에서 흥 전달을 모델링하였다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 소음 조건 하에서 Fenna-Matthew-Olson(FMO) 복합체의 흥 전달을 분석하였다.
• 에너지 전달 중의 양자 상관관계를 평가하기 위해 FMO 복합체의 얽힘 성질을 조사하였다.
• 양자 양자화, 위상 분리, 네트워크 구조 간의 상호작용을 탐색하여 노이즈 보조 전달 메커니즘을 규명하였다.
• 노이즈에 의해 유도된 선 폭 증가와 간섭 억제가 추가적인 전달 경로를 가능하게 한다는 것을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경적 노이즈(예: 위상 분리)가 양자 생물학적 네트워크에서 에너지 전달을 떨어지게 하기보다 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 노이즈가 소산 네트워크에서 파편화된 간섭을 억제하고 전달 효율을 향상시키는 데 어떤 물리적 메커니즘이 작용하는가?
• RQ3 선 폭 증가 효과가 노이즈가 있는 네트워크에서 새로운 흥 전달 경로를 여는 데 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 노이즈 보조 전달 원리가 FMO 복합체와 색소체에서의 에너지 전달 효율을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 해밀토니안의 불변 부분공간이 흥 포획과 전달 강건성 결정에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 노이즈, 특히 위상 분리가 소산 네트워크에서 간섭을 억제함으로써 에너지 전달을 향상시킬 수 있다.
• 노이즈에 의해 유도된 선 폭 증가가 추가적인 전달 경로를 창출하여 전체 전달 효율을 높인다.
• 분석 기법은 해밀토니안에서 불변 부분공간을 성공적으로 식별하여 흥 포획이 발생하는 조건을 드러냈다.
• Fenna-Matthew-Olson(FMO) 복합체의 수치 분석은 노이즈 보조 전달 메커니즘이 그 높은 효율성에 기여한다는 것을 확인한다.
• 이 연구는 양자 양자화와 환경적 노이즈 간의 상호작용이 광합성 복합체에서 최적의 시스템 성능을 이끌어낸다는 것을 입증한다.
• FMO 복합체에서의 얽힘 성질은 노이즈 조건에서도 유지되며, 이는 생물학적 에너지 전달에서 양자 효과가 여전히 관련성이 있음을 시사한다.