Theoretical study of efficient excitation energy transfer in light-harvesting antenna of higher plants

高等植物光捕获天线高效激发能量传递的理论研究

基本信息

批准号：
21H04676
负责人：
斉藤真司
金额：
$ 26.54万
依托单位：
Institute for Molecular Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

LHCIIは三量体タンパク質であり、その単量体はそれぞれ8個のクロロフィル（Chl）aと6個のChl bを含む。励起エネルギー移動（EET）は、これらのChl分子を介して行われる。したがって、EETのダイナミクスを分子レベルで調べるには、LHCIIの中で異なる環境に存在するクロロフィル（Chl）aやChl bの励起エネルギーとその揺らぎに関する情報が不可欠である。このような複雑な系の中のChl分子の電子状態の解析には、(時間依存)密度汎関数理論（(TD)DFT）計算が用いられる。まず、2021年度に、局所環境の違いによるChl aおよびChl bの励起エネルギーを適切に計算することを目的に、複数の溶媒中のChl aおよびChl bの励起エネルギーを再現するための(TD)DFT計算に用いるパラメータを最適化し直した。EETダイナミクスの分子論的解析には各色素の励起エネルギーの揺らぎも必要であり、そのために、分子動力学（MD）計算を行う必要がある。しかし、通常のMD計算に用いるパラメータにより、Chl aおよびChl bの分子内・分子間相互作用および励起エネルギーを正確に記述することはできない。これまでに、我々は適切な電子状態計算を再現することのできるMD計算に用いるパラメータを求める手法を開発してきた。そこで、2022年度においては、MD計算によりLHCII中の全ての色素分子の構造を非常に多く発生させ、それらの構造における色素分子の基底・励起状態の(TD)DFT計算を再現するパラメータを決定した。これらの解析に加え、LHCII内の色素分子間の電子相互作用の決定も進めている。これら全てのパラメータが決定すれば、適切な量子化学計算を再現するMD計算を行うことが可能となり、LHCII系のEETダイナミクスの解析に必要となる全ての分子論的情報を得ることが可能となり、最終的に、効率的EETダイナミクスの分子論的機構の解明が可能となる。

LHCII是一种三聚体蛋白，其单体分别含有8个叶绿素（Chl）A和6 Chl B。激发能量转移（EET）通过这些CHL分子发生。因此，为了研究分子水平的EET的动力学，有关激发能及其叶绿素（CHL）A和CHL B的波动的信息至关重要。（时间依赖性的）密度功能理论（（TD）DFT）计算用于分析此类复杂系统中CHL分子的电子状态。首先，在2021年，我们重新优化了（TD）DFT计算中使用的参数，以在多个溶剂中重现Chl A和CHL B的激发能，目的是正确计算CHL A和CHL B的激发能由于本地环境中的差异而引起的。 EET动力学的分子分析还需要在每种染料的激发能中波动，因此需要分子动力学（MD）计算。但是，无法通过正常MD计算中使用的参数准确地描述了Chl A和Chl B的分子内和分子间相互作用以及激发能。迄今为止，我们开发了确定可以复制适当电子状态计算的MD计算中使用的参数的方法。因此，在2022年，我们通过MD计算产生了大量的LHCII染料分子的结构，并确定了这些结构中染料分子的地面和激发态（TD）DFT计算的参数。除了这些分析外，我们还致力于确定LHCII内染料分子之间的电子相互作用。一旦确定了所有这些参数，就可以执行重现适当的量子化学计算的MD计算，并且可以获得LHCII系统中EET动态所需的所有分子信息，并最终可以阐明有效EET动力学的分子机制。