Meccanismi di evoluzione orientata all'efficienza e trasporto quantistico assistito dall'ambiente. (A) Descrizione schematica del progresso evolutivo dei complessi fotosintetici verso la loro attuale geometria, con l'efficienza come forza trainante dell'evoluzione. Con il progredire dell'evoluzione, la struttura del complesso fotosintetico evolve verso la sua struttura attuale [il complesso Fenna-Matthews-Olson (FMO) in questo esempio] mentre aumenta l'efficienza. Se questo è davvero il percorso evolutivo dei complessi fotosintetici, e se così fosse, se la coerenza quantistica faccia parte del miglioramento dell'efficienza è una questione centrale nel campo della biologia quantistica. (B) Rappresentazione schematica del meccanismo di uniformazione della popolazione mostrato per una catena uniforme di sei siti (le linee blu rappresentano i siti nella catena; le frecce gialle mostrano l'eccitazione del primo sito e l'estrazione dal quinto sito). La densità dei siti è descritta da barre blu per il regime quantistico, regime ENAQT, e regime classico, insieme a una forma schematica per le curve di corrente rispetto a sfasamento. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4631
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Elinor Zerah Harush e Yonatan Dubi nei dipartimenti di chimica e scienza e tecnologia su nanoscala, all'Università Ben-Gurion del Negev, Israele, discusso una valutazione diretta degli effetti della coerenza quantistica sull'efficienza di tre complessi fotosintetici naturali. L'approccio dei sistemi quantistici aperti ha permesso ai ricercatori di identificare simultaneamente la natura quantistica e l'efficienza in condizioni fisiologiche naturali. Questi sistemi risiedevano in un regime misto quantistico-classico, che hanno caratterizzato utilizzando il trasporto assistito da sfasamento. L'efficienza era minima nella migliore delle ipotesi, quindi la presenza di coerenza quantistica non ha giocato un ruolo sostanziale nel processo. L'efficienza era inoltre indipendente da qualsiasi parametro strutturale, suggerendo il ruolo dell'evoluzione durante la progettazione strutturale per altri usi.
Indagare gli effetti quantistici in biologia
Durante la fotosintesi, l'energia può essere trasferita da un'antenna a un centro di reazione per raccogliere la luce e convertirla in energia chimica per l'uso da parte dell'organismo. Le coppie di lacune elettroniche legate all'eccitone formavano i vettori energetici nel processo fotosintetico per trasportare l'energia solare raccolta dall'antenna al centro di reazione attraverso una rete di batterioclorofille (pigmenti fotosintetici che si trovano nei batteri), noto anche come complesso di trasferimento degli eccitoni (ETC). Gli interessi sull'ETC si sono ampliati nell'ultimo decennio, quando i ricercatori hanno utilizzato segnali di spettroscopia non lineare ultraveloci per dimostrare oscillazioni di lunga durata. La scoperta di oscillazioni coerenti nelle CET ha presentato l'ipotesi che la coerenza quantistica si verificasse all'interno di complessi fotosintetici naturali per favorire il trasferimento di energia. Harush et al. ha cercato di capire se la coerenza quantistica potesse esistere nel processo biologico del trasferimento di energia fotosintetica. Se è così, è stato utilizzato dal sistema naturale per una maggiore efficienza funzionale? Mentre il lavoro sperimentale e teorico ha affrontato queste domande, rimangono in gran parte senza risposta. In questo lavoro, il team ha affrontato le domande utilizzando strumenti sviluppati dalla teoria dei sistemi quantistici aperti. I risultati suggeriscono l'improbabilità che i complessi fotosintetici utilizzino la coerenza quantistica per aumentare la loro efficienza.
Effetto dell'ambiente sull'efficienza di trasferimento fotosintetico in FMO e PC645. Corrente di eccitone calcolata in funzione della sfasatura per i complessi FMO (A) e PC-645 (B). L'area verde ombreggiata indica l'intervallo stimato dei tassi di sfasamento fisiologico. I riquadri mostrano una descrizione schematica dei complessi eccitonici. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4631 
Il team ha preso in considerazione tre diversi ETC fotosintetici (complessi di trasferimento di eccitoni) durante gli esperimenti. Questi includono il complesso Fenna-Matthews-Olson (FMO), che appare nei batteri sulfurei verdi, la proteina criptofita ficocianina-645 (PC-645), una parte dell'apparato fotosintetico delle alghe criptofite, e la raccolta della luce 2 (LH2) - una parte del batterio fotosintetico viola Rhodopseudomonas acidophila. Tutti e tre i complessi hanno mostrato oscillazioni coerenti di trasferimento di energia nelle misurazioni di spettroscopia bidimensionale non lineare. Il team ha tracciato la corrente di eccitone in funzione del tasso di sfasamento per il complesso FMO e il complesso PC-645. La somiglianza tra le trame ha indicato l'insensibilità relativa della corrente alla struttura interna hamiltoniana. Utilizzando le popolazioni batteriche Harush et al. testato il livello di "quantità" del sistema. Hanno riconosciuto questo utilizzando una connessione tra la popolazione di eccitoni e il tasso di sfasamento attraverso il meccanismo del trasporto quantistico assistito dall'ambiente (ENAQT). L'effetto ENAQT era chiaramente visibile nei risultati poiché la corrente mostrava un massimo nel tasso di sfasamento. Però, l'attuale miglioramento è stato minimo con un aumento di circa lo 0,0015% per indicare l'improbabile natura del complesso di imporre una forza trainante evolutiva significativa.
Disposizione della densità degli eccitoni nella formazione di ENAQT. (A) Configurazione della densità (cioè, occupazione degli eccitoni in siti diversi) del complesso FMO per tre diversi regimi:limite quantistico (linea blu, γdeph =10−4 μs−1), condizione biologica (linea gialla, γdeph =106 μs−1), e limite classico (linea verde, γdeph =1012 μs−1). La transizione dal regime quantistico al regime classico è accompagnata da uno spostamento nella configurazione della densità, da una configurazione determinata dalla funzione d'onda a un gradiente uniforme tra la sorgente e il pozzo, con una configurazione uniforme in mezzo. Per vedere più chiaramente questo, (B), (C) e (D) presentano la struttura schematica di FMO, dove ogni sfera rappresenta un sito BChl, e la luminosità del colore riflette la sua densità. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4631
Effetto dell'ambiente sull'efficienza del trasferimento fotosintetico
Il team ha quindi studiato il complesso LH2 (light harvesting-2) per comprendere la connessione tra ENAQT (trasporto quantistico assistito dall'ambiente) e la popolazione. Questo era difficile a causa della mancanza di separazione spaziale tra l'antenna e il centro di reazione nel costrutto. Il complesso LH2 conteneva due anelli di pigmenti di batteriofille; B800 (anello giallo) e B850 (anello blu) prendono il nome dalla loro risonanza di assorbimento di energia in nanometri e assorbimento di energia nella regione visibile dello spettro. Ogni parte del complesso potrebbe assorbire la luce per eccitare un eccitone, che si è trasferito da uno degli anelli al centro di reazione consentendo il verificarsi di molti percorsi di trasferimento degli eccitoni. Però, una curva corrente contro sfasamento per LH2 ha rivelato l'importanza della coerenza durante il trasporto. Il team ha quindi tracciato la corrente in funzione del tasso di sfasamento del sistema LH2 e ha notato un aumento molto piccolo della corrente di circa lo 0,05%.
Effetto dell'ambiente sull'efficienza di trasferimento fotosintetico in LH2. Corrente di eccitone media LH2 in funzione del tasso di sfasamento (linea nera), calcolato per ≈900 possibili percorsi. Le curve rosa mostrano la corrente delle realizzazioni scelte arbitrariamente (cioè, siti di ingresso e uscita) in LH2. L'area verde ombreggiata indica il tasso di sfasamento naturale. Riquadro:Descrizione schematica della rete di trasferimento LH2. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4631
Tasso di sfasamento attuale per 5000 realizzazioni di reti simili a FMO. Le energie sono state mantenute fisse, mentre gli elementi della matrice saltellante sono stati prelevati da un intervallo di ±200 cm-1. ENAQT si ottiene per quasi la stessa gamma per tutte le realizzazioni, indicando l'indipendenza di efficienza del regime ENAQT (e del regime stesso) sulla struttura del sistema. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc4631
Attuale, coerenza e classicità.
I risultati dello studio hanno stabilito l'assenza di un aumento sostanziale della corrente di eccitone quando si confronta il caso completamente quantistico con i tassi di sfasamento fisiologicamente realistici. Hanno anche preso in considerazione i sistemi classici, che non erano definiti dalla mancanza di coerenza, sebbene le loro coerenze potrebbero essere completamente determinate dalle popolazioni senza ulteriori informazioni. I ricercatori avevano precedentemente quantificato la distinzione tra sistemi quantistici e classici. In un sistema classico, le due correnti saranno le stesse, implicando che le coerenze quantistiche non trasportano informazioni aggiuntive attraverso la dinamica classica.
L'esito di questo studio ha indicato come le strutture di interesse relative a FMO, PC-645 e LH2 non si sono evoluti per migliorare l'efficienza dei complessi. Nel futuro, Elinor Zerah Harush e Yonatan Dubi intendono valutare l'origine del tempo di sfasamento osservato per riconoscere se i valori calcolati nello studio sono unici. Il team intende anche comprendere altri potenziali vantaggi evolutivi dei complessi di trasferimento fotosintetici, che guiderà i biofisici a comprendere ampiamente il possibile ruolo degli effetti quantistici nei complessi fotosintetici.
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