[논문 리뷰] Microscopic origin of the long-lived quantum coherences in the Fenna-Matthew-Olson complex

Sangwoo Shim, Patrick Rebentrost외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 14.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전자기역학적 분자 동역학, 시간에 의존하는 밀도 기반 함수 이론, 개방된 양자 시스템 이론을 통합하여 Fenna-Matthew-Olson(FMO) 복합체에서 장수명 양자 공명의 미시적 기원을 규명한다. 이 방법은 다양한 온도에서 실험적으로 관측된 흡수 스펙트럼, 디크로이즘 스펙트럼, 비상실률 및 양자 진동 동역학을 정확히 재현하며, 광합성 에너지 전달에서 지속적인 양자 공명을 설명하는 원자구조 기반의 첫 번째 원리적 설명을 확립한다.

ABSTRACT

A remarkable amount of theoretical research has been carried out to elucidate the physical origins of the recently observed long-lived quantum coherence in the electronic energy transfer process in biological photosynthetic systems. Although successful in many respects, several widely used descriptions only include an effective treatment of the protein-chromophore interactions. In this work, by combining an all-atom molecular dynamics simulation, time-dependent density functional theory, and open quantum system approaches, we successfully simulate the dynamics of the electronic energy transfer of the Fenna-Matthews-Olson pigment-protein complex. The resulting characteristic beating of populations and quantum coherences is in good agreement with the experimental results and the hierarchy equation of motion approach. The experimental absorption, linear and circular dichroism spectra and dephasing rates are recovered at two different temperatures. In addition, we provide an extension of our method to include zero-point fluctuations of the vibrational environment. This work thus presents one of the first steps to explain the role of excitonic quantum coherence in photosynthetic light-harvesting complexes based on their atomistic and molecular description.

연구 동기 및 목표

• Fenna-Matthew-Olson(FMO) 복합체에서 관측된 장수명 양자 공명의 미시적 기원을 규명하기 위해.
• 효율 모델의 한계를 극복하고 원자구조 수준의 단백질-색소 상호작용을 통합하기 위해.
• 전자 동역학과 환경 효과를 모두 포괄하는 원리적 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 온도에서 실험적 흡수, 디크로이즘 및 비상실 데이터와의 비교를 통해 모델을 검증하기 위해.
• 환경의 진동 수준에서의 영점 진동 플럭추에이션을 포함하기 위해.

제안 방법

• FMO 복합체의 색소 주변의 동적 단백질 환경을 모델링하기 위해 전자기역학적 분자 동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 모의된 구조에서 전자 이완 에너지와 전이 이완 모멘트를 계산하기 위해 시간에 의존하는 밀도 기반 함수 이론(TDDFT)을 사용한다.
• 공명과 분포 진동을 포함한 전자 에너지 전달 동역학을 시뮬레이션하기 위해 개방된 양자 시스템 이론을 적용한다.
• 비마르코프 및 비퍼티urbation 상호작용을 정확히 처리하기 위해 계층적 운동 방정식 접근법을 사용한다.
• 진동 환경의 영점 에너지 플럭추에이션을 포함시켜 동역학적 현실성 향상.
• 통합된 워크플로우를 통해 실험과 정량적 일치를 보이는 원자구조 기반, 시간 해상도가 높은 엑시톤 동역학 시뮬레이션을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FMO 복합체의 에너지 전달 과정에서 장수명 양자 공명이 발생하는 원자구조적 기원은 무엇인가?
• RQ2 단백질-색소 상호작용과 환경의 변동성이 양자 공명의 지속성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 원리적 시뮬레이션은 실험적 흡수, 디크로이즘 및 비상실 스펙트럼을 어느 정도 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 온도 변화가 FMO 복합체의 공명 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 진동 환경의 영점 양자 플럭추에이션을 엑시톤 공명 시뮬레이션에 의미 있게 포함시킬 수 있는가?

주요 결과

• 두 가지 다른 온도에서 실험적 흡수 및 선형, 원형 디크로이즘 스펙트럼을 높은 정확도로 재현하였다.
• 계산된 비상실률이 실험 측정값과 일치하여 환경 상호작용에 대한 모델의 기술이 검증되었다.
• 모의된 전자 분포 동역학은 실험적 이차원 전자 스펙트럼과 밀도 높은 양자 진동 패tern을 보였다.
• 효율 모델이나 경험적 모델에 의존하지 않고도 장수명 양자 공명을 성공적으로 포착하였다.
• 영점 진동 플럭추에이션의 포함은 진동 환경의 기술을 향상시키고 동역학의 현실성 강화에 기여하였다.
• 결과적으로 광합성 빛 흡수 시스템에서의 양자 공명 이해를 위한 원리적 원자구조 기반 프레임워크를 확립하였다.