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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 has three components: eight components (Chl) a and six components (Chl b). EET is the first time that a molecule has been activated. The information on the existence of different environments in the LHCII is indispensable. The analysis of electronic states of Chl molecules in complex systems and (time-dependent) density function theory (TD DFT) calculations are used. In 2021, the excitation of Chl a and Chl b in the environment was calculated appropriately, and the excitation of Chl a and Chl b in the multiple solvents was optimized. Molecular analysis of EET is necessary for the excitation of each pigment, molecular dynamics (MD) calculation is necessary The intramolecular and intermolecular interactions of Chl a and Chl b are described correctly in the usual MD calculations. The method of calculating the appropriate electronic state is developed. In 2022, MD calculations were conducted to determine the structure of the pigment molecules in LHCII. The electronic interaction between pigment molecules in LHCII determines the progress of the process. The complete molecular theory information can be obtained from the determination of the quantum chemistry calculation and the reproduction of the quantum chemistry calculation. The molecular theory mechanism of the LHCII system can be solved from the analysis of the quantum chemistry calculation and the EET calculation.