Verwendung hochpräziser Quantenchemie zur Untersuchung der supereffizienten Energieübertragung in der Photosynthese

Die Photosynthese treibt alles Leben auf der Erde an. Für die durch Sonnenlicht angetriebene Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in energiereichen Zucker und Sauerstoff sind komplexe Prozesse erforderlich. Diese Prozesse werden von zwei Proteinkomplexen angetrieben, den Photosystemen I und II. Im Photosystem I wird Sonnenlicht mit einer Effizienz von nahezu 100 % genutzt. Hier spielt ein komplexes Netzwerk aus 288 Chlorophyllen die entscheidende Rolle.

Ein Team um die LMU-Chemikerin Regina de Vivie-Riedle hat diese Chlorophylle nun mit Hilfe hochpräziser quantenchemischer Rechnungen charakterisiert – ein wichtiger Meilenstein zum umfassenden Verständnis des Energietransfers in diesem System. Diese Entdeckung könnte in Zukunft dazu beitragen, seine Effizienz in künstlichen Systemen auszunutzen.

Die Chlorophylle im Photosystem I fangen Sonnenlicht in einem Antennenkomplex ein und übertragen die Energie auf ein Reaktionszentrum. Dort wird die Sonnenenergie genutzt, um einen Redoxprozess auszulösen – also einen chemischen Prozess, bei dem Elektronen übertragen werden. Die Quantenausbeute des Photosystems I beträgt nahezu 100 %, was bedeutet, dass fast jedes absorbierte Photon zu einem Redoxereignis im Reaktionszentrum führt.

Simulation unter natürlichen Bedingungen

„Obwohl die komplizierte Energieübertragung innerhalb des Photosystems seit Jahrzehnten untersucht wird, gibt es bis heute keinen Konsens über den genauen Mechanismus“, sagt de Vivie-Riedle. Um tiefere Einblicke zu gewinnen, simulierten die Forscher die Lichtanregung aller Chlorophylle in einem Modell des in eine Lipidmembran eingebetteten Photosystems I. Zur Berechnung der elektronischen Anregungen wurde ein hochgenaues Multireferenzverfahren verwendet. Im Vergleich zu früheren Studien erlaubt dieser Ansatz eine Beschreibung des Photosystems I auf der Basis modernster Methodik. Möglich wurden die komplizierten Berechnungen durch den Supercomputer am Leibniz Supercomputing Center.

Die Ergebnisse der Studie, die auf dem Titelblatt der Zeitschrift abgebildet sind Chemische Wissenschaft, offenbaren sogenannte „rote Chlorophylle“, die aufgrund elektrostatischer Effekte in der Umgebung Licht bei etwas niedrigeren Energien absorbieren als ihre Nachbarn. Dadurch ist ihr Absorptionsspektrum rotverschoben. Analog identifizierten die Forscher unter anderem auch Energiebarrieren zwischen dem Antennenkomplex und dem Reaktionszentrum. „Das erscheint auf den ersten Blick überraschend, weil es keinen offensichtlichen Gradienten gibt, entlang dem Energie vom Antennenkomplex zum Reaktionszentrum übertragen wird“, erklärt Erstautor Sebastian Reiter.

Schwankungen überwinden Energiebarrieren

Unter physiologischen Bedingungen unterliegt jedoch das gesamte Photosystem I thermischen Schwankungen, die diese Energiebarrieren überwinden, da sich die relativen Energien der Chlorophylle zueinander ändern. Auf diese Weise können sich ständig neue Wege ins Reaktionszentrum öffnen, während sich andere schließen. Dies, so die Kernthese der Autoren, könnte der Schlüssel zur hohen Effizienz des Photosystems I sein.

„Unsere atomistische Simulation dieser Prozesse ermöglicht ein mikroskopisches Verständnis des Systems und seiner Dynamik in seiner natürlichen Umgebung, komplementär zu experimentellen Ansätzen“, schließt Regina de Vivie-Riedle, die auch Mitglied des Exzellenzclusters e-conversion ist.

Eines der Ziele des Clusters ist es, die Effizienz natürlicher Photokatalysatoren eines Tages auf künstliche Nano-Bio-Hybridsysteme für Anwendungen wie die Produktion von Wasserstoff als Energieträger oder die Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kraftstoff zu übertragen. Dies erfordert ein besseres Verständnis des Energieübertragungsmechanismus. Mit ihren Ergebnissen zum Photosystem I haben die Wissenschaftler nun einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung dieses Ziels getan.