Kinetics of Electronic Excitations in the Light-Harvesting Complexes of the Purple Bacterium Marichromatium purpuratum

Titelangaben

Elvers, Inga:
Kinetics of Electronic Excitations in the Light-Harvesting Complexes of the Purple Bacterium Marichromatium purpuratum.
Bayreuth , 2023 . - iii, 263 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006871

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Abstract

Isolierte LH2 Lichtsammelkomplexe des Purpurbakteriums Marichromatium purpuratum (Mch. purpuratum) in Lösung (20mM HEPES, 0.1% LDAO, pH7.8) wurden mittels zeitaufgelöster Spektroskopie in Abhängigkeit der Anregungsparameter, Wiederholrate des Anregungslasers sowie Photonenanregungsfluenz, untersucht. Es wurden Experimente sowohl bei Anregung der Bakteriochlorophyll-Pigmente als auch der Karotenoid-Moleküle durchgeführt. Die Fluoreszenzzerfallkurven für jede gemessene Kombination der Anregungsparameter wurden mit Hilfe des Phasor-Ansatzes ausgewertet. Der Phasor-Ansatz wurde ursprünglich für Fluoreszenzlebenszeitmessungen in der Frequenzdomäne
formuliert und wurde nun für Lebenszeitmessung in der Zeitdomäne adaptiert. Unter Berücksichtigung der speziellen Eigenschaften der Fluoreszenzzerfallskurven als Folge der zeitaufgelösten Messungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren zur Berechnung der Phasorkoordinaten entwickelt, welches alle notwendigen Korrekturen, wie eine Korrektur der Untergrundfluoreszenz sowie eine Korrektur des Einflusses der Apparatefunktion (eng. instrument response function, IRF) beinhaltet. Die besondere Stärke des Phasor-Ansatzes zur Analyse von Fluoreszenzlebenszeitkurven liegt darin, dass er die Analyse der Fluoreszenzkinetik ohne eine a priori Annahme oder jedwedes Wissen über die jeweilige Probe erlaubt. Dabei ist mit dem Phasor-Ansatz sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Analyse der Fluoreszenzlebenszeitkurven möglich. Als Grundlage dienen dabei lediglich die gemessenen Daten. Eine Vorabannahme
hinsichtlich der den Fluoreszenzkurven zugrunde liegenden Fluoreszenzkinetik, wie dies beim in der Literatur häufig beschriebenen traditionellen Ansatz des ‘Fittens‘ von Fluoreszenzkurven der Fall ist, ist nicht notwendig.

Eine detaillierte Phasoranalyse ergab eine multiexponentielle Fluoreszenzkinetik für alle gemessenen Fluoreszenzlebensdauermessungen der isolierten LH2 Lichtsammelkomplexe von Mch. purpuratum. Bei Anregung der Bakteriochlorophyll-Pigmente in nahen Infrarotbereich (eng. near infrared, NIR) konnte eine biexponentielle Kinetik mit Lebenszeitkomponenten von 730 ps und 50 ps für alle Kombinationen der Anregungsparameter identifiziert werden. Zusätzlich wurde für hohe Anregungsdichten, welche der Kombination aus hoher Laserwiederholrate und hoher Photonenanregungsfluenz entsprechen, eine dritte Lebenszeitkomponent von etwa 500 ps festgestellt werden. Bei Anregung der Karotenoid- Pigmente im sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS) wurde eine globale biexponentielle
Kinetik mit einer Lebenszeitkomponente von etwa 750 ps sowie einer kleineren Lebenszeitkomponente < 100 ps identifiziert, was in der Größenordnung der biexponentiellen Kinetik entspricht, die bei Anregung der Bakteriochlorophylle beobachtet wurde. Eine dritte Lebenszeitkomponente konnte bei Anregung der Karotenoide nicht festgestellt werden.

Die größte in den Experimenten beobachtbare Lebenszeitkomponente von etwa 750 ps ist deutlich kleiner als die üblicherweise berichtete Lebensdauer von etwa 1 ns für isolierte Lichtsammelkomplexe unterschiedlicher Spezies von Purpurbakterien. Da sie dennoch in der gleichen Größenordnung ist, kann diese Lebenszeitkomponente der Fluoreszenzemission der B830 Bakteriochlorophyll- Pigmente im LH2 von Mch. purpuratum zugeschrieben werden. Die kleine Lebnsdauerkomponente von weniger als 100 ps, die für alle Anregungssituationen beobachtbar ist, wird vorläufig dem Auftreten eines bislang unbekannten oder nicht auflösbaren exzitonischen Zustandes mit Charge-Transfer Charakter
(eng. mixed exciton charge-transfer state, CT) in der elektronischen Struktur des B830 LH2 Komplexes von Mch. purpuratum zugeschrieben. Das Vorkommen solcher gemischter Exziton-CT Zustände in bakteriellen Lichtsammelkomplexen werden seit Jahren diskutiert und sind in Übereinstimmung mit der beobachteten, kleineren Lebenszeit der B830 Pigmente. Die dritte Lebenszeitkomponente, die ausschließlich bei Anregung der Bakteriochlorophyll-Pigmente
und für hohe Anregungsdichten beobachtet wurde, ist auf das Auftreten von Singulett-Triplett Annihilationsprozesse zurückzuführen (STA).

Die Zuordnung der unterschiedlichen Lebenszeiten in der multiexponentiellen Kinetik erlaubt den Entwurf und Vorschlag eines Energieniveauschemas für den B830 LH2 Komplexes von Mch. purpuratum. Basierend auf diesem Vorschlag wurde anschließend der Unterschied in der beobachteten Kinetik bei Anregung der beiden Pigmente, Bakteriochlorophylle oder Karotenoide, diskutiert. Für
die Anregung der unterschiedlichen Pigmente ergibt sich ein unterschiedlicher Fluss der Energie, welcher in einer fundamental unterschiedlichen Situation von elektronischen Anregungen im Lichtsammelkomplex resultiert. Basierend auf diesem Unterschied wurde nachvollziehbar dargelegt, dass wahrscheinlich das Auftreten von Triplett-Triplett-Annihilationsprozessen die Ursache für den Unterschied
in der beobachteten Fluoreszenzkinetik darstellt.

Abschließend wurden numerische Simulationen auf Basis eines dynamischen Monte Carlo (DMC) Algorithmus durchgeführt um das vorgeschlagene Energieniveauschema zu testen. Dazu wurde auf Basis des vorgeschlagenen Energieniveauschemas ein Ratenmodell entwickelt. Ein Vergleich der experimentellen Fluorezenzzerfallkurven und der simulierten Transienten zeigte eine gute Übereinstimmung für alle Anregungsparameter. Eine Phasor-Analyse der simulierten Fluoreszenzzerfallkurven ergab, dass die experimentell beobachtete, multiexponentielle Kinetik hinsichtlich aller drei Lebenszeitkomponenten gut reproduziert wurde. Auch die anteiligen Intensitätsbeiträge (eng. fractional contributions) der einzelnen Lebenszeitkomponenten wurde durch die Simulationen insgesamt gut wiedergegeben. Lediglich bei hohen Laserwiederholraten waren Abweichungen hinsichtlich der Intensitätsbeiträge beobachtbar. Insgesamt wurde, basierend auf den Experimenten zur Untersuchung der Kinetik elektronischer Anregungen im B830 LH2 Komplex von Mch. purpuratum ein detailliertes Modell für dessen elektronische Struktur präsentiert.

Abstract in weiterer Sprache

Detergent-isolated LH2 complexes of the purple bacterium Marichromatium purpuratum (Mch. purpuratum) were studied in detergent solution (20mM HEPES, 0.1% LDAO, pH7.8) by time-resolved spectroscopy as a function of the excitation
parameters, such as the excitation fluence and the laser repetition rate. Both, excitation of the incorporated bacteriochlorophyll pigments as well as excitation
of carotenoid pigments was investigated. The fluorescence transients for each of the different combinations of the excitation fluence and the laser repetition rate
were analyzed using the phasor approach.

The phasor approach, originally formulated for fluorescence lifetime measurements in the frequency domain, was now adapted to lifetime measurements in the time domain. Recognizing the specific features of the fluorescence transients that were extracted from time-resolved measurements, here, a procedure for the calculation of the phasor coordinates was developed including all necessary corrections, such as background correction and correction for the influence of the instrument response (IRF) function. The special strength of the phasor approach is, that it allows for the analysis of the fluorescence kinetics without any a priori knowledge or assumption. Thus, the phasor approach allows for both a qualitative as well as a quantitative analysis of the observed fluorescence transients taking only into account the measured data and without making any assumption of the underlying kinetics as it is done for the ‘traditional‘ fitting approach
often seen in literature.

A detailed analysis using the phasor approach revealed a multiexponential kinetics for all measured fluorescence transients of the isolated LH2 complexes of Mch. purpuratum. For excitation of bacteriochlorophyll pigments in the nearinfrared (NIR) wavelength range, a global biexponential kinetics with lifetime components of 730 ps and 50 ps was revealed. In addition a third lifetime component of about 500 ps was observed in phasor analysis for high excitation densities, corresponding to the combination of high excitation fluence and high laser repetition rate. Upon excitation of the carotenoid pigments in the visible wavelength (VIS) range a biexponential kinetics featuring one lifetime component in the order of 750 ps and one faster lifetime of or below 100 ps was identified, hence showing almost the same biexponential kinetics as for bacteriochlorophyll excitation. Notably, no third lifetime component was observed for excitation of
the carotenoid pigments.

The long fluorescence lifetime component in the order of 750 ps observed in the experiments is significantly quenched with respect to the usually reported fluorescence lifetime in the order of 1 ns for isolated LH2 complexes of various
species of purple bacteria. Nonetheless, this lifetime component is attributed to the fluorescence emission of the B830 bacteriochlorophyll pigments within the LH2 complex of Mch. purpuratum. The fast lifetime component of below 100 ps which is observed for all excitation conditions is tentatively attributed to the occurrence of a yet not known or resolved mixed exciton charge-transfer (CT) state within the B830 LH2 complex of Mch. purpuratum. The occurrence
of such mixed exciton CT states in bacterial LH2 complexes is under discussion since years and is in accordance with the observed shortening of B830 fluorescence lifetime. The third lifetime component observed exclusively for excitation of bacteriochlorophyll pigment at high excitation densities is attributed tot the occurrence of singlet-triplet annihilation (STA) processes.

The identification of the different lifetime components in the multiexponential kinetics finally allowed for the evolution and proposal of an energy level scheme for the B830 LH2 complex of Mch. purpuratum. Based on this energy
level scheme, the origin of the difference in the observed fluorescence kinetics upon excitation of bacteriochlorophylls or carotenoids was discussed. The different flow of energy within the LH2 complex upon excitation of the different pigments results in fundamental different situations of electronic excitations and it is reasonable presented that likely the occurrence of triplet- triplet annihilation results in the difference of the observed fluorescence kinetics.

In order to test the proposed energy level scheme for the LH2 complex of Mch. purpuratum numerical simulations using a dynamic Monte Carlo algorithm were performed, using on a rate model that is based on that energy level scheme.A comparison of the fluorescence transients obtained experimentally and those resulting from the simulations showed an overall good agreement. Phasor analysis
of the simulated fluorescence transients revealed that the multiexponential kinetics was reproduced correctly with respect to the up to three lifetime components seen in the experiments. Also the fractional contributions of the distinct lifetime components were well reproduced, with the only exception for high laser repetition rates. There, although the lifetime components were reproduced correctly, the fractional contribution did not reproduce the experimental data.

Overall, based on the experiments for investigation of the kinetics of electronic excitations within the B830 LH2 complex of Mch. purpuratum a detailed model for its electronic structure is presented.