フェンナ・マシューズ・オルソン複合体
図1. FMOタンパク質三量体。[ 1 ] BChl a分子は緑色、中心のマグネシウム原子は赤色、タンパク質は灰色で示されている（「漫画」表現）。各モノマーにはバクテリオクロロフィルが含まれている。

フェンナ・マシューズ・オルソン（FMO）複合体は水溶性複合体であり、X線分光法によって構造解析された最初の色素タンパク質複合体（PPC）である。[ 2 ]これは緑色硫黄細菌に存在し、集光性クロロソームから膜包埋細菌反応中心（bRC）への励起エネルギー移動を媒介する。その構造は三量体（C3対称性）である。3つのモノマーはそれぞれ8つのバクテリオクロロフィルa（BChl a）分子を含む。これらは、中心のマグネシウム原子がタンパク質のアミノ酸（主にヒスチジン）または水架橋酸素原子（各モノマーのBChl aは1つだけ）にキレート化されることにより、タンパク質の足場に結合している。

構造が利用可能であるため、構造に基づく光学スペクトルを計算し、実験的な光学スペクトルと比較することが可能です。[ 3 ] [ 4 ]最も単純なケースでは、 BChlの励起子結合のみが考慮されています。[ 5 ]より現実的な理論では、色素-タンパク質結合が考慮されています。[ 6 ]重要な特性は、BChlの局所遷移エネルギー（サイトエネルギー）であり、これは個々のBChlの局所タンパク質環境に応じて異なります。BChlのサイトエネルギーは、エネルギーの流れの方向を決定します。

FMO-RC超複合体の構造情報は、電子顕微鏡法[ 7 ] [ 8 ]と、FMO三量体およびFMO-RC複合体の線二色性スペクトル測定によって得られています。これらの測定結果から、FMO複合体はRCに対して2つの配向をとることが示唆されています。BChl3と4がRCに近く、BChl1と6（FennaとMatthewsの元の番号付けに従う）がクロロソームに向いた配向は、効率的なエネルギー伝達に有用です。[ 9 ]

テストオブジェクト

この複合体は自然界に現れる最も単純なPPCであるため、光化学系Iのようなより複雑な系に応用できる手法の開発に適した試験対象です。エンゲルと同僚は、FMO複合体が著しく長い量子コヒーレンスを示すことを観察しましたが、[ 10 ]約10年の議論の後、この量子コヒーレンスは複合体の機能には重要ではないことが示されました。[ 11 ]さらに、スペクトルで観測された長寿命振動は、基底状態の振動ダイナミクスによるものであり、エネルギー移動ダイナミクスを反映していないことが示されました。[ 12 ]

量子光集光

光合成における集光は、古典的プロセスと量子力学的プロセスの両方を用いており、エネルギー効率はほぼ100%です。古典的プロセスにおいて光がエネルギーを生成するには、光子が1ナノ秒未満でエネルギーが消散する前に反応部位に到達する必要があります。光合成プロセスでは、これは不可能です。エネルギーは状態の重ね合わせで存在できるため、物質内のあらゆる経路を同時に移動することができます。光子が正しい目的地を見つけると、重ね合わせは崩れ、エネルギーが利用可能になります。しかし、一部の量子プロセスはネットワークを介した量子化された物体の移動を遅くするため、純粋に量子的なプロセスだけで完全に原因を特定することはできません。アンダーソン局在は、ランダムな媒体における量子状態の拡散を防ぎます。状態は波のように振る舞うため、破壊的な干渉効果の影響を受けやすくなります。もう一つの問題は量子ゼノン効果です。これは、不安定な状態を継続的に測定／監視しても変化しないというものです。これは、監視によって状態が常に変化し、崩壊を防ぐためです。[ 13 ] [ 14 ]

量子状態と環境との相互作用は測定のように作用する。環境との古典的な相互作用は量子状態の波動性を変化させ、アンダーソン局在を妨げる程度にとどめる。一方、量子ゼーノ効果は量子状態の寿命を延ばし、反応中心に到達できるようにする。[ 13 ] FMO における量子コヒーレンスの長寿命化の提案は、多くの科学者に影響を与え、システムにおける量子コヒーレンスを調査することとなり、エンゲルの 2007 年の論文は発表後 5 年以内に 1500 回以上引用されている。エンゲルの提案は文献で依然として議論されており、元の実験の解釈が誤っており、振動振動を基底状態の振動コヒーレンスではなく電子コヒーレンスに割り当ててしまったのではないかという意見がある。基底状態の振動コヒーレンスは、振動遷移のスペクトル幅が狭いため、当然寿命が長くなると予想される。

コンピューティング

タンパク質マトリックス中の反応中心を見つける問題は、計算における多くの問題と形式的に等価です。計算問題を反応中心探索にマッピングすることで、光集光装置を計算装置として利用できるようになる可能性があり、室温での計算速度が向上し、100～1000倍の効率が得られる可能性があります。[ 13 ]

参考文献

  1. ^デラウェア州トロンルード;シュミット、MF。マシューズ、BW (1986 年 4 月)。 「分解能1.9Åで精製されたProsthecocilis aestuarii由来のバクテリオクロロフィルaタンパク質の構造およびX線アミノ酸配列」。分子生物学ジャーナル。188 (3): 443–54 .土井: 10.1016/0022-2836(86)90167-1。PMID  3735428。
  2. ^ Fenna, RE; Matthews, BW (1975). 「 Chlorobium limicola由来のバクテリオクロロフィルタンパク質におけるクロロフィル配列」. Nature . 258 (5536): 573–7 . Bibcode : 1975Natur.258..573F . doi : 10.1038/258573a0 . S2CID 35591234 . 
  3. ^ Vulto、Simone IE;ネルケン、ジークリンデ。ロバート・J・W・ルーウェ;デ・バート、ミシェル・A.ジャン・アメズ。 Aartsma、Thijs J. (1998)。 「光合成緑色硫黄細菌からのFMOアンテナ複合体の励起状態構造とダイナミクス」。物理化学ジャーナル B。102 (51): 10630– 5.土井: 10.1021/jp983003v。
  4. ^ウェンリング、マルクス;プシヤルゴフスキー、ミロシュ A.ギュレン、デメット。ヴルト、シモーネ、IE; Aartsma、Thijs J.;ヴァン・グロンデル、リアンク・ヴァン。ヴァン・アメロンゲン、ハーバート・ヴァン (2002)。 「プロステコクロリス・エストゥアリイのFMO複合体における構造と偏光分光法の定量的関係：実験とシミュレーションの改良」。光合成の研究。71 ( 1–2 ): 99–123。Bibcode : 2002PhoRe..71...99W​​ 。土井：10.1023/A:1014947732165。hdl : 11511/68408。PMID 16228505。S2CID 24164698。  
  5. ^ Pearlstein, Robert M. (1992). 「 Prosthecochloris aestuarii由来のバクテリオクロロフィルaアンテナタンパク質三量体の光学スペクトルの理論」光合成研究. 31 (3): 213– 226. Bibcode : 1992PhoRe..31..213P . doi : 10.1007 / BF00035538 ​​. PMID 24408061. S2CID 22609422 .  
  6. ^ Renger, Thomas [ドイツ語] ; Marcus, RA (2002). 「色素–タンパク質複合体におけるタンパク質ダイナミクスと励起子緩和の関係について：スペクトル密度の推定と光学スペクトル計算理論」(PDF) . The Journal of Chemical Physics . 116 (22): 9997– 10019. Bibcode : 2002JChPh.116.9997R . doi : 10.1063/1.1470200 .
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  8. ^ Rémigy, Hervé -W.; Hauska, Günter; Müller, Shirley A.; Tsiotis, Georgios (2002). 「緑色硫黄細菌の反応中心：構造解明への進展」.光合成研究. 71 ( 1–2 ): 91–8 . Bibcode : 2002PhoRe..71...91R . doi : 10.1023/A:1014963816574 . PMID 16228504. S2CID 10285215 .  
  9. ^ Adolphs, Julian; Renger, Thomas (2006年10月). 「緑色硫黄細菌のFMO複合体におけるタンパク質による励起エネルギー移動の仕組み」 . Biophysical Journal . 91 (8): 2778–97 . Bibcode : 2006BpJ....91.2778A . doi : 10.1529 / biophysj.105.079483 . PMC 1578489. PMID 16861264 .  
  10. ^エンゲル, グレゴリー・S.; カルホーン, テッサ・R.; リード, エリザベス・L.; アン, テキュ; マンカル, トマーシュ; チェン, ユアン・チュン;ブランケンシップ, ロバート・E .; フレミング, グラハム・R. (2007). 「光合成系における量子コヒーレンスによる波動エネルギー伝達の証拠」 ( PDF) . Nature . 446 (7137): 782– 786. Bibcode : 2007Natur.446..782E . doi : 10.1038/nature05678 . PMID 17429397. S2CID 13865546 .  
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  12. ^ R. Tempelaar; TLC Jansen; J. Knoester (2014). 「振動ビートがFMO光捕集複合体における電子コヒーレンスの証拠を隠蔽する」J. Phys. Chem. B . 118 (45): 12865– 12872. doi : 10.1021/jp510074q . PMID 25321492 . 
  13. ^ a b c MIT (2013年11月25日). 「量子光収穫は全く新しいコンピューティング形態を示唆」 . Technologyreview.com. 2015年9月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年12月6日閲覧。
  14. ^ Vattay, Gabor; Kauffman, Stuart A. (2013). 「生物学的量子コンピューティングにおける進化的デザイン」. arXiv : 1311.4688 [ cond-mat.dis-nn ].
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