Mécanismes d'évolution axée sur l'efficacité et de transport quantique assisté par l'environnement. (A) Description schématique de la progression évolutive des complexes photosynthétiques vers leur géométrie actuelle, l'efficacité étant la force motrice de l'évolution. Au fur et à mesure de l'évolution, la structure du complexe photosynthétique évolue vers sa structure actuelle [le complexe Fenna-Matthews-Olson (FMO) dans cet exemple] tout en augmentant l'efficacité. Que ce soit bien la voie évolutive des complexes photosynthétiques, et si oui, La question de savoir si la cohérence quantique fait partie de l'amélioration de l'efficacité est une question centrale dans le domaine de la biologie quantique. (B) Représentation schématique du mécanisme d'uniformisation de la population illustré pour une chaîne uniforme de six sites (les lignes bleues représentent les sites de la chaîne ; les flèches jaunes montrent l'excitation du premier site et l'extraction du cinquième site). La densité des sites est décrite par des barres bleues pour le régime quantique, régime ENAQT, et régime classique, ainsi qu'une forme schématique des courbes de courant versus déphasage. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4631
Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Elinor Zerah Harush et Yonatan Dubi dans les départements de chimie et de science et technologie à l'échelle nanométrique, à l'Université Ben Gourion du Néguev, Israël, ont discuté d'une évaluation directe des effets de la cohérence quantique sur l'efficacité de trois complexes photosynthétiques naturels. L'approche des systèmes quantiques ouverts a permis aux chercheurs d'identifier simultanément la nature quantique et l'efficacité dans des conditions physiologiques naturelles. Ces systèmes résidaient dans un régime mixte quantique-classique, qu'ils ont caractérisés en utilisant le transport assisté par déphasage. L'efficacité était au mieux minime, donc la présence de cohérence quantique n'a pas joué un rôle substantiel dans le processus. L'efficacité était également indépendante de tout paramètre structurel, suggérant le rôle de l'évolution lors de la conception structurelle pour d'autres usages.
Étudier les effets quantiques en biologie
Lors de la photosynthèse, l'énergie peut être transférée d'une antenne à un centre de réaction pour collecter la lumière et la convertir en énergie chimique destinée à être utilisée par l'organisme. Les paires de trous d'électrons liés à l'exciton ont formé les porteurs d'énergie dans le processus photosynthétique pour transporter l'énergie solaire récoltée de l'antenne au centre de réaction via un réseau de bactériochlorophylles (pigments photosynthétiques qui se produisent dans les bactéries), également connu sous le nom de complexe de transfert d'excitons (ETC). Les intérêts sur l'ETC se sont développés au cours de la dernière décennie, où les chercheurs ont utilisé des signaux de spectroscopie non linéaire ultrarapides pour démontrer des oscillations à longue durée de vie. La découverte d'oscillations cohérentes dans les ETC a présenté l'hypothèse que la cohérence quantique se produisait au sein de complexes photosynthétiques naturels pour faciliter le transfert d'énergie. Harush et al. ont cherché à comprendre si la cohérence quantique pouvait exister dans le processus biologique de transfert d'énergie photosynthétique. Si c'est le cas, a-t-il été utilisé par le système naturel pour une efficacité fonctionnelle améliorée ? Alors que des travaux expérimentaux et théoriques ont abordé ces questions, ils restent largement sans réponse. Dans ce travail, l'équipe a abordé les questions à l'aide d'outils développés à partir de la théorie des systèmes quantiques ouverts. Les résultats suggèrent qu'il est peu probable que les complexes photosynthétiques utilisent la cohérence quantique pour augmenter leur efficacité.
Effet de l'environnement sur l'efficacité du transfert photosynthétique dans FMO et PC645. Courant exciton calculé en fonction du déphasage pour les complexes FMO (A) et PC-645 (B). La zone verte ombrée indique la plage estimée des taux de déphasage physiologique. Les encarts montrent une description schématique des complexes d'excitons. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4631 
L'équipe a examiné trois ETC photosynthétiques différents (complexes de transfert d'excitons) au cours des expériences. Il s'agit notamment du complexe Fenna-Matthews-Olson (FMO), qui apparaît dans les bactéries sulfureuses vertes, la protéine cryptophyte phycocyanine-645 (PC-645) - une partie de l'appareil photosynthétique des algues cryptophytes, et la récolte de lumière 2 (LH2) - une partie de la bactérie photosynthétique violette Rhodopseudomonas acidophila. Les trois complexes ont montré des oscillations de transfert d'énergie cohérentes dans des mesures de spectroscopie bidimensionnelle non linéaire. L'équipe a tracé le courant d'excitons en fonction du taux de déphasage pour le complexe FMO et le complexe PC-645. La similitude entre les tracés indiquait une insensibilité relative du courant à la structure interne hamiltonienne. En utilisant les populations bactériennes Harush et al. testé le niveau de "quantité" du système. Ils l'ont reconnu en utilisant une connexion entre la population d'excitons et le taux de déphasage via le mécanisme de transport quantique assisté par l'environnement (ENAQT). L'effet ENAQT était clairement visible dans les résultats puisque le courant montrait un maximum dans le taux de déphasage. Cependant, l'amélioration actuelle était infime à environ 0,0015% d'augmentation pour indiquer la nature improbable du complexe d'imposer une force motrice évolutive significative.
Arrangement de densité d'excitons dans la formation de l'ENAQT. (A) Configuration de la densité (c'est-à-dire, occupation des excitons à différents sites) du complexe FMO pour trois régimes différents :limite quantique (ligne bleue, deph =10−4 s−1), condition biologique (ligne jaune, deph =106 s−1), et limite classique (ligne verte, deph =1012 s−1). Le passage du régime quantique vers le régime classique s'accompagne d'un déplacement de la configuration de densité, d'une configuration déterminée par la fonction d'onde à un gradient uniforme entre la source et le puits, avec une configuration uniforme entre les deux. Pour y voir plus clair, (B), (C) et (D) présentent la structure schématique de FMO, où chaque sphère représente un site BChl, et la luminosité de la couleur reflète sa densité. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4631
Effet de l'environnement sur l'efficacité du transfert photosynthétique
L'équipe a ensuite étudié le complexe LH2 (récolte de lumière-2) pour comprendre le lien entre ENAQT (transport quantique assisté par l'environnement) et la population. Cela était difficile en raison du manque de séparation spatiale entre l'antenne et le centre de réaction dans la construction. Le complexe LH2 contenait deux anneaux de pigments bactériophylles; B800 (anneau jaune) et B850 (anneau bleu) du nom de leur résonance d'absorption d'énergie en nanomètres et d'énergie absorbante dans la région visible du spectre. Chaque partie du complexe pourrait absorber la lumière pour exciter un exciton, qui a transféré de l'un des anneaux au centre de réaction permettant à de nombreux chemins de transfert d'excitons de se produire. Cependant, une courbe courant versus déphasage pour LH2 a révélé l'importance de la cohérence pendant le transport. L'équipe a ensuite tracé le courant en fonction du taux de déphasage du système LH2 et a noté une très faible augmentation du courant d'environ 0,05 %.
Effet de l'environnement sur l'efficacité du transfert photosynthétique dans LH2. Courant moyen des excitons LH2 en fonction du taux de déphasage (ligne noire), calculé pour ≈900 chemins possibles. Les courbes roses montrent le courant de réalisations choisies arbitrairement (c'est-à-dire, sites d'entrée et de sortie) dans LH2. La zone verte ombrée marque le taux de déphasage naturel. Encart :Description schématique du réseau de transfert LH2. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4631
Courant versus taux de déphasage pour 5000 réalisations de réseaux de type FMO. Les énergies étaient maintenues fixes, tandis que les éléments de matrice de saut ont été choisis dans une plage de ± 200 cm-1. ENAQT est obtenu pour quasiment la même gamme pour toutes les réalisations, indiquant l'indépendance de l'efficacité du régime ENAQT (et du régime lui-même) sur la structure du système. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc4631
Courant, cohérence et classicité.
Les résultats de l'étude ont établi l'absence d'une augmentation substantielle du courant d'excitons en comparant le cas entièrement quantique avec les taux de déphasage physiologiquement réalistes. Ils ont également pris en compte les systèmes classiques, qui n'étaient pas définis par le manque de cohérence, bien que leurs cohérences puissent être pleinement déterminées à partir des populations sans informations supplémentaires. Les chercheurs avaient déjà quantifié la distinction entre les systèmes quantiques et classiques. Dans un système classique, les deux courants seront les mêmes, ce qui implique que les cohérences quantiques ne transportent pas d'informations supplémentaires à travers la dynamique classique.
Les résultats de cette étude ont indiqué comment les structures d'intérêt relatives à la FMO, PC-645 et LH2 n'ont pas évolué pour améliorer l'efficacité des complexes. À l'avenir, Elinor Zerah Harush et Yonatan Dubi entendent évaluer l'origine du temps de déphasage observé pour reconnaître si les valeurs calculées dans l'étude sont uniques. L'équipe a également l'intention de comprendre d'autres avantages évolutifs potentiels des complexes de transfert photosynthétiques, qui guidera les biophysiciens à comprendre largement le rôle possible des effets quantiques dans les complexes photosynthétiques.
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