Untersuchung von Quantenkohärenzen in photosynthetischen Lichtsammelkomplexen mittels ultraschneller Einzelmolekülspektroskopie.

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Köhler
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450722431

Im Photosyntheseapparat erfolgt die Absorption des von der Sonne einfallenden Lichts in multichromophoren Pigment-Protein Komplexen oder großen molekularen Farbstoff Aggregaten, die man als Lichtsammelkomplexe bezeichnet. Die Energie liegt dann in Form von elektronisch angeregten Zuständen der Farbstoffmoleküle vor und wird über eine Energietransfer-Kaskade unter Einbeziehung Hunderter Moleküle über Entfernungen bis zu 100 nm zum photochemischen Reaktionszentrum transportiert, wo im nächsten Schritt die Ladungstrennung erfolgt. Die angeregten Zustände werden durch quantenmechanische Wellenfunktionen beschrieben denen man einen Betrag und eine Phase zuordnen kann. Nach langjähriger Lehrmeinung erwartet man in organischer Materie dass die Phasenbeziehungen (Kohärenzen) der Wellenfunktionen durch die Wechselwirkung mit der lokalen Umgebung auf ultraschneller Zeitskala verloren gehen. In Experimenten an Ensembles fand man in den letzten Jahren Hinweise darauf dass solche Kohärenzen durchaus einige hundert Femtosekunden überdauern können. Bei der Interpretation von Ensemble Experimenten wird jedoch implizit vorausgesetzt, dass sich alle Komplexe des Ensembles identisch verhalten, auch in Bezug auf die Wechselwirkung mit der Umgebung. Neuere Arbeiten an einzelnen Lichtsammelkomplexen bestätigten zwar die Existenz von Kohärenzen, zeigten allerdings auch dass der intrakomplex Energietransfer in jedem einzelnen Komplex einem etwas anderen Pfad folgt. Letzteres ist aufgrund von Mittelungseffekten in Ensemble Experimenten natürlich nicht zugänglich.Ziel des Vorhabens ist es die Rolle von Kohärenzen für den intra- und interkomplex Energietransport in photosynthetischen Antennenkomplexen der Purpurbakterien mittels ultraschneller Einzelmolekülspektroskopie zu untersuchen. Da die Art und Ausprägung der Kohärenzen empfindlich von den Differenzen der Anregungsenergien der molekularen Bausteine abhängt, sollen neben den Komplexen des Wildtyps auch Mutanten untersucht werden in denen diese Energieunterschiede gezielt verändert werden können. Die Ergebnisse werden (für den gleichen individuellen Komplex!) korreliert mit polarisationsaufgelösten Fluoreszenz-Anregungs- und Emissionsspektren, so dass man zu jedem einzelnen Komplex ein detailliertes Bild über die Dynamik der elektronischen Zustände mit hoher zeitlicher und spektraler Auflösung erhält. Dadurch lassen sich Unterschiede zwischen den individuellen Komplexen feststellen und Verteilungen von Parametern ermitteln die mit Ensemble Methoden nicht zugänglich sind. Durch diese Experimente erwarten wir Antworten auf heftig diskutierte Fragen zu erhalten wie z.B. Handelt es sich um elektronische oder vibronische Kohärenzen? Sind Kohärenzen auch im Energietransfer zwischen den Lichtsammelkomplexen relevant?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen