[논문 리뷰] Optimal and robust energy transport in light-harvesting complexes: (II) A quantum interplay of multichromophoric geometries and environmental interactions

Masoud Mohseni, Alireza Shabani외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 25.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 FMO 광수집 복합체가 다중색체 기하학적 구조와 환경 상호작용 간의 양자적 상호작용을 통해 최적이고 강건한 흥(excitation) 에너지 전달을 달성함을 밝혀내며, 재조정 에너지 × 온도와 버스 절단 주파수 × 평균 흥(excitonic) 갭의 비율(λT/γg)이 조절될 때 효율성이 최대화됨을 보여준다. 이 작업은 자연계의 FMO 및 LHCII와 같은 시스템이 비마르코프, 비파erturbative 환경에서의 본질적 양자 역학 때문에 각각 7개와 14개의 색체를 갖는 것으로 진화적으로 최적화되어 있을 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 환경 조건에서 광수집 복합체에서 높은 효율의 흥 에너지 전달을 가능하게 하는 물리적 원리를 이해하기 위해.
• 환경 매개변수 및 구조적 불순물의 변화에 대한 FMO 및 기타 다중색체 복합체에서의 에너지 전달의 강건성에 대해 조사하기 위해.
• 자연계의 복합체에서 색체의 수(FMO는 7개, LHCII는 14개)가 양자 전달 효율에 대해 자연적으로 최적화되어 있는지 판단하기 위해.
• 비평형, 비파erturbative 상태에서의 양자 전달 효율을 지배하는 핵심 환경 및 흥 에너지 매개변수를 규명하기 위해.

제안 방법

• 복잡한 시스템에서 초고속 흥 에너지 과정을 모델링하기 위해 효율적인 비파erturbative, 비마르코프 양자 역학 시뮬레이션 기법을 사용하였다.
• 실제 환경 결합 조건 하에서 FMO 복합체와 더 큰 불순물 구조(최대 20개의 색체)를 30 Å 및 50 Å 공간 차원에서 모델링하였다.
• 재조정 에너지(λ), 버스 주파수 절단(γ), 온도(T), 소산률, 포획률, 불순물, 색체의 전기 dipole 방향성 등의 매개변수를 체계적으로 변화시켰다.
• 비평형 조건 하에서 시간에 따라 변화하는 흥 에너지 분포 역학을 측정하여 에너지 전달 효율을 정량화하였다.
• 다양한 구성 및 환경 조건에서 전달 효율을 지배하는 유일한 스케일링 매개변수인 λT/(γg)를 규명하였다.
• 최적의 효율을 위한 최적의 시스템 크기를 평가하기 위해 무작위 색체 배열에서의 전달 성능을 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 환경 상호작용 하에서 FMO 복합체에서 최적이고 강건한 흥 에너지 전달을 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 다중색체 기하학적 구조와 환경 매개변수(예: λ, γ, T, 공간 상관관계) 간의 상호작용이 양자 전달 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 자연계의 광수집 복합체에서 색체의 수(예: FMO의 7개, LHCII의 14개)가 에너지 전달 최적화를 반영하는가?
• RQ4 다양한 환경 및 구조 조건에서 전달의 강건성과 효율을 지배하는 유일한 매개변수는 무엇인가?
• RQ5 불순물이 존재하고 공간적으로 확장된 구성에서 전달 효율은 시스템 크기와 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• FMO 복합체는 내부 및 환경 매개변수 간의 에너지 스케일과 시간 스케일이 수렴함에 따라 최적이고 강건한 에너지 전달을 나타낸다.
• λT/(γg) 비율이 양자 전달 효율을 지배하는 유일한 제어 매개변수로 규명되었으며, 이 비율이 적절히 조절될 때 최적의 성능을 발휘한다.
• 무작위 구성에서 에너지 전달 효율은 30 Å 치수에서는 7개의 색체를 포함할 때, 50 Å 치수에서는 14개의 색체를 포함할 때 최대값에 도달하여 포화된다.
• 이 최적의 수(7개 및 14개)는 각각 FMO와 LHCII 단량체 복합체의 엽록소 수와 정확히 일치하며, 진화적 최적화를 시사한다.
• 재조정 에너지, 온도, 버스 절단 주파수, 소산률, 포획률, 불순물, 전기 dipole 방향성 등의 변화에 대해 시스템은 여전히 강건하다.
• 비마르코프 및 비파erturbative 환경 효과는 높은 효율을 달성하는 데 필수적이며, 전통적인 마르코프 근사의 한계를 부각시킨다.