Photosynthese im neuen Licht: Innovative Methoden der zweidimensionalen Spektroskopie

• Antragsteller: Dr. Julian Lüttig
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545291444

Photosynthetische Systeme nutzen ein komplexes Netzwerk von Pigmenten und Proteinen, um Licht zu sammeln. Die Protein-Pigment-Komplexe formen Strukturen, in denen das Proteingerüst die relative Ausrichtung der Pigmente festlegt, ihre Kopplung steuert und zur Bildung von delokalisierten angeregten Zuständen, d.h. Exzitonen, führt. Der Transport der Exzitonen erfolgt auf einer ultraschnellen Zeitskala von den Antennenkomplexen zum Reaktionszentrum (RC), wo die Ladungstrennung stattfindet. Die unterschiedlichen Antennen- und RC-Strukturen, die von verschiedenen photosynthetischen Organismen verwendet werden, spiegeln den hohen Anpassungsgrad der Organismen an ihre Umwelt wider. Photosynthetische Systeme passen sich auch dynamisch an Umgebungen an, indem sie die Struktur und die Anzahl der Antennen- und RC-Komplexe ändern. Wie können wir die Exzitonendynamik im gesamten photosynthetischen System beobachten und allgemeine Designprinzipien erkennen?Die zweidimensionale (2D) Spektroskopie nutzt ultrakurzer Laserpulse, um ultraschnelle Dynamiken zu messen. Wir werden verschiedene 2D-Spektroskopietechniken verwenden, um photosynthetische Systeme zu untersuchen - von Antennenkomplexen bis hin zu Zellen. Jede Technik ist sensitiv gegenüber bestimmten Eigenschaften, und die parallele Anwendung mehrerer Methoden ermöglicht, ein umfassendes Bild der Photosynthese zu erhalten. Breitbandige 2D-Spektroskopie bildet Energieübertragungswege ab, während die 2D-Elektronenschwingungsspektroskopie die exzitonische Kopplung untersucht. Wir werden auch zwei neue fluoreszenzdetektierte 2D-Spektroskopiemethoden entwickeln, die Delokalisierung und spezifische Teilsysteme mit hoher Empfindlichkeit untersucht werden können.Um einen umfassenden Einblick in die Designprinzipien der Photosynthese zu gewinnen, werden wir eine Vielzahl von Proben untersuchen. Zunächst werden wir zwei kürzlich entdeckte Spezies des Phylums Gemmatimonadetes untersuchen. Wir werden die Exzitonen, den Energietransfer und die Vermischung von Schwingungs- und elektronischen Freiheitsgraden charakterisieren. Wir werden sowohl isolierte Komplexe als auch ganze Zellen messen, um den Einfluss der Membranumgebung und der Wechselwirkung zwischen Komplexen zu ermitteln. Zudem werden wir zwei RC-Mutanten der Purpurbakterien mit unterschiedlichen Ladungstransfermechanismen untersuchen. Wir werden Messungen mit Simulationen kombinieren, um die exzitonischen Zustände und ihre Vermischung mit Ladungstransferzuständen, die vibronische Mischung, und Kohärenztransfer zu bestimmen. Schließlich werden wir die Adaptierung des Photosystem II an Infrarotlicht durch den Einbau bestimmter Chlorophylle und deren Einfluss auf die Delokalisierung, den Transfer und die vibronische Mischung untersuchen. Damit werden wir ein holistisches Bild von Exzitonen in der Photosynthese erhalten, identifizieren allgemeine Designprinzipien und vertiefen so unser Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehung in photosynthetischen Systemen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Jennifer Ogilvie, Ph.D.