[논문 리뷰] Size-Dependent Fluorescence Kinetics Reveal Contributions of Intrinsic Quenching and Singlet-Triplet Annihilation during LHCII Aggregation

Francois Conradie, Bertus van Heerden외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 12.

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한 줄 요약

논문은 LHCII 어그리게이트의 크기를 형광 강도와 소멸 동역학과 상관시키고, 동시 형광 상관 분광(FCS)과 시간상관 단일 광자 계수(TCSPC)를 사용하여 해리 intrinsic quenching을 싱글트–트립렛 annihilation(STA)로부터 구분한다. 계면제(detergent) 주도 하에 발생하는 응집.

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.

연구 동기 및 목표

• 응집 크기가 LHCII의 형광 수율과 수명에 어떤 영향을 미치는지 정량화한다.
• 응집 과정에서의 고유 흥분 소멸을 소멸 과정으로부터 분리한다.
• 하나의 통합 프레임워크에서 어그리게이트 구조(크기, 농도)를 광물리학적 경로와 연결한다.

제안 방법

• 계면제 주도 하의 응집 동안 강도, 수명, 입자 수, 및 유체역학적 반지름을 모니터링하기 위해 형광 상관 분광(FCS)과 시간상관 단일 광자 계수(TCSPC)를 결합한다.
• 입자 농도에서 어그리게이트 구성 요소를 정량하고 어그리게이트 크기에 따라 흡수 단면을 스케일링한다.
• 이중지수 피트를 사용하여 수명 성분을 해석하고 방사적, 내부 전환, 계 시스템 간 전이, 그리고 퀜칭 등의 경쟁 속도와 함께 소멸을 모델링한다.
• 강도 의존 TCSPC 측정을 수행하여 응집 효과와 흥분 강도 효과를 구분한다.
• FCS로부터 얻은 N과 확산 시간의 상관관계를 통해 어그리게이트당 트라이머의 평균 수 M을 계산하고 분자학적 성장의 프랙탈 동역학을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCII 어그리게이트 크기가 형광 강도와 수명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 응집 중에 고유의 quenching과 singlet–triplet annihilation(STA)를 정량적으로 분리할 수 있는가?
• RQ3 어그리게이트 크기, 흡수 단면, 및 quenching 효율 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 자극 강도가 응집으로 유도된 소멸과 STA의 상대적 기여에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제어된 계면제 제거 하에서 LHCII 응집의 구조적 성장 동역학과 프랙탈 특성은 무엇인가?

주요 결과

• STA는 중등 수준의 여기에서 나타나고 빠르게 지배적 퀜칭 경로가 되며, 비교적 작은 어그리게이트조차도 예외가 아니다.
• 고유 퀜칭은 STA와는 별개로 어그리게이트 크기가 커짐에 따라 점진적으로 증가한다.
• 두 개의 형광 수명 성분이 관찰되며(대략 0.35 ns와 3.6 ns), 진폭은 각각 응집 관련 퀜칭과 미퀜칭 상태를 나타낸다.
• 평균 수명은 유체역학적 반지름이 증가함에 따라 반반로그적으로 감소하고, 정상상태 강도는 유효 형광 수율의 변화로 인해 비선형적으로 감소한다.
• 응집은 이중상 반응성 운동으로 진행되며 전이점은 대략 M ≈ 10–20에서 나타난다; 프랙탈 분석에서 d_f = 1.6 ± 0.1로, 확산-제한 군 응집 패턴과 일치한다.
• 어그리게이트 간의 유효 흡수 단면을 분할하는 방법은 전체 평균 단면이 어그리게이트당 트라이머 수 M에 따라 스케일링된다는 것을 보여준다.