Mecanismos de evolución impulsada por la eficiencia y transporte cuántico asistido por el medio ambiente. (A) Descripción esquemática del progreso evolutivo de los complejos fotosintéticos hacia su geometría actual, siendo la eficiencia la fuerza impulsora evolutiva. A medida que avanza la evolución, la estructura del complejo fotosintético evoluciona hacia su estructura actual [el complejo Fenna-Matthews-Olson (FMO) en este ejemplo] mientras aumenta la eficiencia. Si esta es de hecho la vía evolutiva de los complejos fotosintéticos, y de ser así, si la coherencia cuántica es parte de la mejora de la eficiencia es una cuestión central en el campo de la biología cuántica. (B) Representación esquemática del mecanismo de uniformización de la población que se muestra para una cadena uniforme de seis sitios (las líneas azules representan los sitios en la cadena; las flechas amarillas muestran la excitación del primer sitio y la extracción del quinto sitio). La densidad de los sitios se describe mediante barras azules para el régimen cuántico, Régimen ENAQT, y régimen clásico, junto con una forma esquemática para las curvas actual versus desfase. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4631
En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Elinor Zerah Harush y Yonatan Dubi en los departamentos de química y ciencia y tecnología a nanoescala, en la Universidad Ben-Gurion del Negev, Israel, discutieron una evaluación directa de los efectos de la coherencia cuántica sobre la eficiencia de tres complejos fotosintéticos naturales. El enfoque de sistemas cuánticos abiertos permitió a los investigadores identificar simultáneamente la naturaleza cuántica y la eficiencia en condiciones fisiológicas naturales. Estos sistemas residían en un régimen clásico cuántico mixto, que caracterizaron mediante transporte asistido por desfase. La eficiencia fue mínima en el mejor de los casos, por lo que la presencia de coherencia cuántica no jugó un papel sustancial en el proceso. La eficiencia también fue independiente de cualquier parámetro estructural, sugiriendo el papel de la evolución durante el diseño estructural para otros usos.
Investigando los efectos cuánticos en biología
Durante la fotosíntesis, la energía se puede transferir desde una antena a un centro de reacción para recolectar luz y convertirla en energía química para uso del organismo. Los pares de agujeros de electrones unidos a excitones formaron los portadores de energía en el proceso fotosintético para transportar la energía solar recolectada desde la antena al centro de reacción a través de una red de bacterioclorofilas (pigmentos fotosintéticos que ocurren en las bacterias). también conocido como complejo de transferencia de excitones (ETC). El interés en el ETC se ha expandido en la última década, donde los investigadores utilizaron señales de espectroscopía no lineal ultrarrápida para demostrar oscilaciones de larga duración. El descubrimiento de oscilaciones coherentes en ETC presentó la hipótesis de que la coherencia cuántica se producía dentro de los complejos fotosintéticos naturales para ayudar a la transferencia de energía. Harush y col. trató de comprender si la coherencia cuántica podría existir en el proceso biológico de transferencia de energía fotosintética. Si es así, ¿Fue utilizado por el sistema natural para mejorar la eficiencia funcional? Si bien el trabajo experimental y teórico ha abordado estas preguntas, permanecen en gran parte sin respuesta. En este trabajo, el equipo abordó las preguntas utilizando herramientas desarrolladas a partir de la teoría de los sistemas cuánticos abiertos. Los hallazgos sugieren la improbabilidad de que los complejos fotosintéticos utilicen la coherencia cuántica para aumentar su eficiencia.
Efecto del medio ambiente sobre la eficiencia de la transferencia fotosintética en FMO y PC645. Corriente de excitón calculada en función del desfase para los complejos FMO (A) y PC-645 (B). El área verde sombreada indica el rango estimado de tasas de desfase fisiológico. Los recuadros muestran una descripción esquemática de los complejos de excitones. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4631 
El equipo consideró tres ETC fotosintéticos diferentes (complejos de transferencia de excitones) durante los experimentos. Estos incluyen el complejo Fenna-Matthews-Olson (FMO), que aparece en las bacterias de azufre verde, la proteína criptofita ficocianina-645 (PC-645), una parte del aparato fotosintético en las algas criptofitas, y recolección de luz 2 (LH2), una parte de la bacteria fotosintética púrpura Rhodopseudomonas acidophila. Los tres complejos mostraron oscilaciones de transferencia de energía coherentes en mediciones de espectroscopía bidimensional no lineal. El equipo trazó la corriente de excitón en función de la tasa de desfase para el complejo FMO y el complejo PC-645. La similitud entre las tramas indicaba una relativa insensibilidad de la corriente a la estructura interna hamiltoniana. Utilizando las poblaciones bacterianas Harush et al. probado el nivel de "quantumness" del sistema. Reconocieron esto usando una conexión entre la población de excitones y la tasa de desfase a través del mecanismo de transporte cuántico asistido por el medio ambiente (ENAQT). El efecto ENAQT fue claramente visible en los resultados ya que la corriente mostró un máximo en la tasa de desfase. Sin embargo, la mejora actual fue mínima con un aumento de aproximadamente 0,0015% para indicar la naturaleza poco probable del complejo para imponer una fuerza impulsora evolutiva significativa.
Disposición de la densidad de excitones en la formación de ENAQT. (A) Configuración de densidad (es decir, ocupación de excitones en diferentes sitios) del complejo FMO para tres regímenes diferentes:límite cuántico (línea azul, γdeph =10−4 μs − 1), condición biológica (línea amarilla, γdeph =106 μs − 1), y límite clásico (línea verde, γdeph =1012 μs − 1). La transición del régimen cuántico al régimen clásico va acompañada de un cambio en la configuración de densidad, desde una configuración determinada por la función de onda hasta un gradiente uniforme entre la fuente y el sumidero, con una configuración uniforme en el medio. Para ver esto más claramente, (B), (C) y (D) presentan la estructura esquemática de FMO, donde cada esfera representa un sitio BChl, y el brillo del color refleja su densidad. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4631
Efecto del medio ambiente sobre la eficiencia de la transferencia fotosintética.
A continuación, el equipo investigó el complejo LH2 (recolección de luz-2) para comprender la conexión entre ENAQT (transporte cuántico asistido por el medio ambiente) y la población. Esto fue difícil debido a la falta de separación espacial entre la antena y el centro de reacción en la construcción. El complejo LH2 contenía dos anillos de pigmentos bacteriófilos; B800 (anillo amarillo) y B850 (anillo azul) nombrados por su resonancia de absorción de energía en nanómetros y absorbiendo energía en la región visible del espectro. Cada parte del complejo podría absorber luz para excitar un excitón, que se transfirió de uno de los anillos al centro de reacción permitiendo que ocurrieran muchas rutas de transferencia de excitones. Sin embargo, una curva de corriente versus desfase para LH2 reveló la importancia de la coherencia durante el transporte. Luego, el equipo trazó la corriente como una función de la tasa de desfase del sistema LH2 y notó un aumento muy pequeño en la corriente que se aproxima al 0.05 por ciento.
Efecto del medio ambiente sobre la eficiencia de la transferencia fotosintética en LH2. Corriente de excitón de LH2 promedio en función de la tasa de desfase (línea negra), calculado para ≈900 caminos posibles. Las curvas rosadas muestran la corriente de realizaciones elegidas arbitrariamente (es decir, sitios de entrada y salida) en LH2. El área verde sombreada marca la tasa de desfasaje natural. Recuadro:descripción esquemática de la red de transferencia LH2. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4631
Tasa actual frente a desfase para 5000 realizaciones de redes similares a FMO. Las energías se mantuvieron fijas, mientras que los elementos de la matriz de salto se seleccionaron de un rango de ± 200 cm − 1. ENAQT se obtiene para casi el mismo rango para todas las realizaciones, indicando la independencia de la eficiencia del régimen ENAQT (y del régimen mismo) sobre la estructura del sistema. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc4631
Actual, coherencia y clasicidad.
Los resultados del estudio establecieron la ausencia de un aumento sustancial en la corriente de excitón al comparar el caso completamente cuántico con las tasas de desfase fisiológicamente realistas. También tomaron en cuenta los sistemas clásicos, que no se definen por la falta de coherencia, aunque sus coherencias podrían determinarse completamente a partir de las poblaciones sin información adicional. Los investigadores habían cuantificado previamente la distinción entre sistemas cuánticos y clásicos. En un sistema clásico, las dos corrientes serán iguales, lo que implica que las coherencias cuánticas no llevan información adicional a través de la dinámica clásica.
El resultado de este estudio indicó cómo las estructuras de interés en relación con FMO, PC-645 y LH2 no evolucionaron para mejorar la eficiencia de los complejos. En el futuro, Elinor Zerah Harush y Yonatan Dubi pretenden evaluar el origen del tiempo de desfase observado para reconocer si los valores calculados en el estudio son únicos. El equipo también tiene la intención de comprender otras posibles ventajas evolutivas de los complejos de transferencia fotosintéticos, que guiará a los biofísicos a comprender ampliamente el posible papel de los efectos cuánticos en los complejos fotosintéticos.
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