Untersuchung von molekularen Aggregaten natürlicher und künstlicher Lichtsammelsysteme mittels Einzelmolekül-Spektroskopie

Titelangaben

Löhner, Alexander:
Untersuchung von molekularen Aggregaten natürlicher und künstlicher Lichtsammelsysteme mittels Einzelmolekül-Spektroskopie.
Bayreuth , 2018 . - XXII, 166 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Die Nutzung der Solarenergie bietet eine umweltfreundliche Möglichkeit, den weltweit steigenden Energiebedarf zu decken. Eine Alternative zu den herkömmlichen Silizium-basierten Solarzellen sind organische Solarzellen, die günstig herzustellen, leicht und flexibel sind. Der Wirkungsgrad dieser organischen Solarzellen bleibt bislang allerdings deutlich hinter dem der Halbleitersolarzellen zurück. Währenddessen finden sich in der Natur Organismen, deren hocheffiziente Photosyntheseapparate es ihnen erlauben, auch bei geringsten Lichtströmen photoautotroph zu leben. Ein besseres Verständnis dieser natürlichen Photosyntheseapparate auf molekularer Ebene kann dazu beitragen, Solarenergie für die Energieversorgung der Menschheit effizienter nutzbar zu machen.
In der Natur wird in spezialisierten Komplexen, den sogenannten Reaktionszentren, mit der Energie zuvor absorbierter Photonen ein ladungsgetrennter Zustand herbeigeführt, der die weiteren Photosyntheseprozesse antreibt. Zur Steigerung der zeitlichen Auslastung dieser Reaktionszentren und zur Erweiterung des spektralen Absorptionsbereichs bilden alle photosynthesetreibenden Organismen Antennenkomplexe, die einfallende Photonen absorbieren und deren Energie über das Antennennetzwerk zu den Reaktionszentren weiterleiten.
Die Ausformung dieser Antennenkomplexe wird von verschiedenen photosynthesetreibenden Organismen auf unterschiedlichste Art und Weise gestaltet: Pflanzen und Cyanobakterien bilden sogenannte LHC-Komplexe, Purpurbakterien besitzen LH-Komplexe und Grüne Schwefelbakterien verwenden sogenannte Chlorosome und FMO-Komplexe für ihre Antennensysteme. Der räumliche Aufbau einiger weniger Komplexe konnte in der Vergangenheit mit Hilfe hochauflösender Methoden, wie zum Beispiel Röntgenstreuexperimenten, bestimmt werden, während für die meisten dieser Antennenkomplexe keine oder nur ungenaue strukturelle Informationen vorliegen. In vielen Fällen ist die direkte Strukturbestimmung nicht möglich, da die für Röntgenstreuexperimente nötige Kristallisation scheitert, oder weil die Komplexe durch die nötige Probenpräparation zerstört werden.
Neben der direkten Strukturbestimmung bietet die optische Spektroskopie einen indirekten Zugang zum Aufbau der Komplexe: Aus spektroskopischen Experimenten lässt sich die elektronische Struktur bestimmen, die wiederum durch die räumliche Anordnung der Bausteine festgelegt wird. Durch die Kombination spektroskopischer Informationen mit theoretischen Simulationen kann so ein räumliches Modell des untersuchten Komplexes entwickelt werden, indem versucht wird die beobachteten spektralen Eigenheiten mit dem simulierten Modell zu reproduzieren.
In dieser Dissertation wurden drei unterschiedliche Komplexe bakterieller Photosyntheseapparate, sowie eine semi-synthetische Nachbildung eines Antennenkomplexes mit Hilfe von Einzelmolekül-Spektroskopie bei 1,2 K untersucht, um Informationen zur elektronischen und räumlichen Struktur zu erhalten:

In P1 wurde das ungewöhnliche Absorptionsverhalten der LH2-Komplexe des Bakteriums Allochromatium vinosum untersucht. „Standard“-LH2-Komplexe der Spezies Rhodoblastus acidophilus und Phaeospirillum molischianum, deren Aufbau mit einer Genauigkeit von bis zu 2,0 Å bekannt ist, zeigen im nahen Infrarot je eine Absorptionsbande bei etwa 800 nm und 850 nm. Die 800 nm-Absorptionsbande der in dieser Arbeit untersuchten LH2-Komplexe dagegen spaltet bei tiefen Temperaturen in zwei Unterbanden auf. Durch die Kombination von Experimenten und Simulationen konnte eine räumliche Struktur für diese Lichtsammelkomplexe vorgeschlagen werden und so der bis dato unbekannte Ursprung der Aufspaltung der 800 nm-Absorptionsbande erklärt werden.

Bei Experimenten an FMO-Komplexen der Grünen Schwefelbakterien Chlorobaculum tepidum wurden die Grenzen der Einzelmolekül-Spektroskopie deutlich (P2). Mit den Messungen sollten detailliertere Informationen über die energetischen Zustände in FMO-Komplexen erlangt werden, als dies aus Ensemblemessungen möglich ist: Durch die Umgehung der Interkomplex-Heterogenität wurde erwartet, Spektren mit deutlich geringeren Linienbreiten zu messen, aus denen die lokalen Übergangsenergien der Zustände abgeleitet werden sollten. Damit ließen sich einerseits die spektralen Banden bestimmten Molekülen zuordnen und andererseits experimentell Informationen über die Kopplung der BChl a-Moleküle gewinnen, die bislang lediglich aus theoretischen Betrachtungen abgeschätzt werden konnten. Die spektralen Fluktuationen dieser Komplexe sind jedoch auch bei kryogener Temperatur so schnell, dass sich die Spektren einzelner Komplexe kaum vom Ensemble-Spektrum unterscheiden und sich auf der experimentell zugänglichen Zeitskala ergodisch verhalten.

In P3 wurden die spektralen Eigenschaften von einzelnen Chlorosomen von Chlorobaculum tepidum untersucht, um einen Beitrag zur Klärung der seit Jahren andauernden Kontoverse über deren innere Struktur zu leisten. Dazu wurden Fluoreszenz-Anregungsspektren von wildtypischen sowie genetisch modifizierten Bakterien bei 1,2 K gemessen und miteinander verglichen. Die ähnlichen spektralen Eigenschaften legen eine gleichartige räumliche Anordnung der Chromophore in den wildtypischen und genetisch veränderten Bakterien nahe: Für beide kann ein (identisches) aus NMR-Messungen gewonnenes Gitter zu Zylindern verschiedener Radien aufgerollt werden. Etwa ein Viertel der betrachteten Chlorosome des Wildtyps zeigt jedoch spektrale Signaturen, die bei den Mutanten nicht auftreten: Das Polarisationsverhalten einer Absorptionsbande weicht vom „üblichen“ Verhalten ab und lässt sich nicht mit der Theorie zylinderförmiger Aggregate erklären. Theoretische Überlegungen legen nahe, dass bei dieser Gruppe von Komplexen innerhalb eines einzigen Chlorosomes neben den zu Zylindern gerollten Gittern auch lamellenartige Gitterstrukturen auftreten.

In Kapitel 5 wurden Aggregate untersucht, deren Monomere aus natürlichen Chlorophyllmolekülen synthetisiert wurden und die in wässriger Lösung homogene, monolagige, zylinderförmige Strukturen ausbilden. Auffällig bei den Einzelmolekül-Experimenten an diesen Strukturen ist, dass sich die polarisationsaufgelösten Spektren verschiedener Komplexe deutlich voneinander unterscheiden, obwohl die Komplexe auf Grund der kontrollierten chemischen Synthese als recht homogen eingeschätzt wurden. Mit Hilfe von Computersimulationen in Punkt-Dipol-Näherung konnte ein Modell entwickelt werden, das die unterschiedlichen, experimentell gewonnenen Spektren reproduziert, indem drei strukturelle Parameter innerhalb eines kleinen Bereichs variiert werden. Mit diesem Modell konnte gezeigt werden wie bereits geringfügige Änderungen der Monomer-Anordnung die Spektren des Aggregats beeinflussen.

Abstract in weiterer Sprache

Solar-energy provides an environmentally friendly solution to cover the increasing worldwide energy consumption. An alternative to conventional silicon-based solar-cells are organic solar-cells, which are light, flexible, and cheap to produce. However, the efficiency of those cells falls short compared to their semiconductor-counterparts. At the same time Nature has brought forth organisms, whose photosynthetic apparatus are that efficient that they can make up their living photoautotrophically with merest light fluxes. A better understanding of these natural processes of photosynthesis on a molecular level could help to make solar-energy useable more efficiently for the energy supply of humankind.
In natural systems the energy of absorbed photons is used to create a charge separated state, which drives the subsequent photosynthetic processes. This charge separation is created by specialised complexes, the so-called reaction centres. To increase the temporal utilization of these reaction centres and to expand the spectral absorption range, all photosynthetic organisms build antenna complexes. Their task is, to absorb photons and transfer their energy to the reaction centres.
In Nature different organisms form a huge variety of antenna systems: Plants and cyanobacteria build so-called LHC-complexes, purple bacteria own LH-complexes and green sulfur bacteria use so-called chlorosomes and FMO-complexes for their antenna systems. Using high-resolution methods, like X-ray scattering, the structure of a small fraction of these complexes could be resolved in the past. But for most antenna complexes the structure remains unclear, as the direct determination of the structure is prevented by a failing crystallisation of the complexes or by destruction of the complexes during sample preparation.
Besides direct determination of the structure optical spectroscopy provides an indirect approach to the spatial configuration of the complexes: From spectroscopic experiments the electronic structure can be determined, which in turn is defined by the spatial arrangement of the building blocks. Thus, through combining spectroscopic information with theoretical simulations one can develop a spatial model by trying to reproduce the observed spectral features with the simulated model.
In this dissertation three different complexes of bacterial photosynthetic apparatus and one semi-artificial reproduction of an antenna complex is investigated with single-molecule spectroscopy at 1.2 K to gain information about their electronic and spatial structure:

In P1 the unusual absorption behaviour of the LH2-complexes of the purple bacteria species Allochromatium vinosum was investigated. “Standard”-LH2-complexes of the species Rhodoblastus acidophilus and Phaeospirillum molischianum, where high-resolution X-ray structures are available, show one absorption band each at about 800 nm and 850 nm in the near infrared. For the LH2-complexes studied in this work, the 800 nm band splits up into two sub-bands at low temperatures. By combination of experiments with numerical simulations a possible structure for the LH2-complexes of this species was proposed, that explains the origin of the splitting of the 800 nm band unknown up to date.

Experiments on FMO complexes of the green sulfur bacteria species Chlorobaculum tepidum showed up the limits of single-molecule spectroscopy (P2). These measurements should yield more detailed information about the energetic states than ensemble measurements provide. The expectation for the single-molecule experiment was to obtain spectra with narrower linewidth, as the inter-complex heterogeneity is circumvented. From these spectra the local site-energies should be deduced and the spectral bands should be assigned to certain pigments. On the other hand experimental information about the excitonic coupling of the BChl a-molecules should be obtained, which up to now only were estimated by theoretical calculations. However, even at cryogenic temperatures the spectral fluctuations of these complexes are so fast, that the spectra of single complexes barely differ from ensemble spectra. Thus, the FMO complexes show ergodic behaviour on the experimental time resolution.

In P3 the spectral properties of single chlorosomes of Chlorobaculum tepidum were analysed to give a contribution to the long-standing contentious debate about their inner structure. Therefore fluorescence-excitation spectra from wild-type and mutant bacteria were recorded at 1.2 K and compared to each other. The similar spectral properties suggest an equal spatial arrangement of the chromophores both in the wild-type and mutant bacteria: In both cases an (identical) grid, obtained from NMR-measurements, can be rolled up to cylinders with varying radii. Astonishingly, about one quarter of the wild-type chlorosomes show spectral features, that do not occur for mutant chlorosomes: The polarisation behaviour of one absorption band differs from the “usual” manner and cannot be explained by the theory of cylindrical aggregates. Theoretical considerations suggest, that this group of complexes not only contain grids rolled up to cylinders, but also lamellar grids.

In chapter 5 aggregates were studied, whose monomers were synthesised from natural chlorophyll molecules and which form homogeneous, mono-layered cylindrical structures in aqueous solution. In the single-molecule experiments it is noticeable, that the polarisation resolved spectra of various complexes clearly differ from each other, although the complexes were expected to be quite homogeneous because of their chemical synthesis. With the help of computer simulations in point-dipole-approximation a model was be developed, that reproduces the different, experimentally obtained spectra by varying three structural parameters within a small range. With this model we were able to show, how even smallest changes in the arrangement of monomers influence the spectra of the aggregate.