Effiziente Methoden für die Simulation der nicht-adiabatischen Dynamik des Exzitonentransfers in Teilkomplexen des Photosystems II

• Antragsteller: Professor Dr. Marcus Elstner; Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397706021

Der erste Schritt der Photosynthese, die in Pflanzen, Algen und bestimmten Bakterien stattfindet, ist das Einfangen von Sonnenlicht. Während der ersten Förderperiode wurde ein nicht-adiabatisches Molekulardynamikverfahren (NAMD) entwickelt, um den Transport von Anregungsenergie in Lichtsammelkomplexen zu untersuchen. Die Effizienz dieser Methode beruht auf der Verwendung einer speziellen parametrisierten Dichtefunktional Tight Binding (DFTB)-Methode für die Grundzustandsdynamik und die “range separated” Version von DFTB für die Eigenschaften angeregter Zustände. Um die Effizienz weiter zu steigern, wird das Trainieren von neuronalen Netzen in jeden zeitkritischen Schritt zur Hilfe genommen, was die Simulation der Exzitonendynamik in ausgedehnten Systemen auf der Pikosekunden-Zeitskala ermöglicht. Dieses Verfahren umgeht einige der Einschränkungen früherer Ansätze, bei denen zeitunabhängige Frenkel-Hamiltonians bestimmt werden und der Einfluss der Umgebung durch spektrale Dichten charakterisiert wird. Zusätzlich werden die Effekte von Anregungen der Pigmentmoleküle auf der molekularen Ebene beschrieben. Im vorliegenden Schema wird ein zeitabhängiger Frenkel-Hamiltonian während der Molekulardynamiksimulationen „on the fly“ ausgewertet und anschließend zur Propagierung der elektronischen Schrödinger-Gleichung verwendet. Eine bemerkenswerte Beschleunigung der Rechengeschwindigkeit wird durch das Training neuronaler Netze erreicht, die die zeitaufwändigen Quantenberechnungen effektiv ersetzen. Ein Hauptziel dieses Antrages ist die Verbesserung des NAMD-Schemas, das während der ersten Förderperiode entwickelt wurde, durch Einbeziehung von Ladungstransferzuständen und Carotinoidmolekülen in die dynamische elektronische Beschreibung. Dies wird die Untersuchung des Exzitonentransfers zwischen Carotinoid- und Chlorophyllmolekülen ermöglichen. Weitere technische Schritte umfassen die explizite Behandlung von Kräften in angeregten Zuständen und eine automatische Parametrisierung der neuronalen Netze. Was die zu untersuchenden Systeme betrifft, so liegt der Schwerpunkt jetzt auf bestimmten Komponenten des pflanzlichen PSII-Systems, nämlich den Superkomplexen LHCII-CP24-CP29 und LHCII-CP26-CP43. In Anbetracht der beträchtlichen Größe dieser Systeme wird unser erster Ansatz darin bestehen, die Verbesserungen des NAMD-Schemas anhand des CP24-Komplexes zu testen, um die Berechnungen anschließend auf die größeren Superkomplexe auszuweiten. Um eine direkte Korrelation mit experimentellen Daten herzustellen, werden wir zeitunabhängige und zeitabhängige spektroskopische Signale mit dem bestehenden NAMD-Schema berechnen. Diese Messmethoden umfassen zumindest die lineare und transiente Absorption sowie die zweidimensionale Spektroskopie. Diese experimentellen Techniken wurden kürzlich bei LHCII-CP24-CP29 und LHCII-CP26-CP43 angewandt. Daher ist für die zweite Förderperiode ein direkter Vergleich zwischen dem NAMD-Ansatz und den experimentellen Ergebnissen geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen