Ultraschnelle Spektroskopie an einzelnen Lichtsammelkomplexen von Purpurbakterien

Titelangaben

Wiesneth, Stephan:
Ultraschnelle Spektroskopie an einzelnen Lichtsammelkomplexen von Purpurbakterien.
Bayreuth , 2026 . - X, 97 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Die hohe Effizienz photosynthetischer Prozesse in biologischen Systemen beruht sowohl auf hocheffizientem Energietransfer, als auch auf effizienten Relaxationsprozessen innerhalb der Energielandschaft von Pigment-Protein-Komplexen. Das Proteingerüst solcher Komplexe bietet eine gewisse Flexibilität, sodass es zu strukturellen und somit energetischen Unterschieden und Unordnungen kommt. Diese Fluktuationen können auf allen Zeitskalen auftreten. Dass diese Fluktuationen die Relaxation der Energien beeinflussen, ist bereits bekannt. Im Gegensatz dazu werden die beteiligten Exzitonzustände, sowie der Einfluss von Vibrationsmoden auf die Relaxationsprozesse kritisch diskutiert. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit werden individuelle periphere Lichtsammelkomplexe (LH2) der Purpurbakterien Rhodopseudomonas (Rps.) acidophila und Rps. palustris mittels ultraschneller Spektroskopie untersucht. In beiden Fällen handelt es sich bei den Komplexen um ringförmige Pigment-Protein-Komplexe, welche aus Bacteriochlorophyll a (BChl a) Molekülen bestehen, die durch ein umgebendes Proteingerüst und zusätzliche Karotenoid-Moleküle in einer Doppelringstruktur angeordnet sind. Dabei weisen beide Ringe aufgrund der Anordnung unterschiedliche Kopplungsstärken zwischen den Chromophoren auf. Die LH2 Komplexe beider Spezies unterscheiden sich in ihrem Absorptionsverhalten im nahen Infraroten Spektralbereich. Bei den hier beschriebenen Experimenten werden die einzelnen Komplexe mit kohärenten Doppelpulsen angeregt und das resultierende Fluoreszenzsignal in Abhängigkeit des zeitlichen Abstands des Pulspaares detektiert. Die Anregung der Komplexe und Aufnahme des Fluoreszenzsignals erfolgt mittels einem selbst konstruierten Fluoreszenzmikroskop, wobei der zeitliche Abstand, sowie die Phasenbeziehung der Anregungspulse mit Hilfe eines Pulsformers und einer Implementierung von spektralen Amplituden- und Phasenmasken kontrolliert wird. Durch eine solche Anregung der Lichtsammelkomplexe werden zwei Exziton-Wellenpakete erzeugt, die miteinander interferieren und so die Population der emittierenden Zustände beeinflussen. Dies führt zu einer Modulation der Fluoreszenz in Abhängigkeit des zeitlichen Abstands der Pulspaare. Es zeigt sich, dass diese Modulation aufgrund der fluktuierenden Mikroumgebung der individuellen Komplexe innerhalb ca. 100 fs abklingt, wobei sich dies für die beobachteten Lichtsammelkomplexe heterogen verteilt. Zudem kann beobachtet werden, dass sich das Modulationsverhalten einzelner Komplexe über einen Zeitraum von 60 s auf einer Zeitskala von etwa 10 s ändert, was auf Änderungen der Energierelaxationspfade zu niedrigen Exzitonzuständen hinweist. Diese Relaxationen nutzen dabei die Kopplung zwischen elektronischen Zuständen und niederfrequenten Vibrationsmoden.

Abstract in weiterer Sprache

The high efficiency of photosynthetic processes in biological systems is based both on highly efficient energy transfer and on efficient relaxation processes within the energy landscape of pigment-protein complexes. The protein scaffold of such complexes offers a certain degree of flexibility, leading to structural and thus energetic differences and disorder. These fluctuations can occur on all time scales. It is already known that these fluctuations influence the relaxation of energies. In contrast, the excitonic states involved and the influence of vibration modes on the relaxation processes are critically discussed. In this research project, individual peripheral light-harvesting complexes (LH2) of the purple bacteria Rhodopseudomonas (Rps.) acidophila and Rps. palustris are being investigated using ultrafast spectroscopy. In both cases, the complexes are pigment-protein complexes consisting of bacteriochlorophyll \textit{a} molecules arranged in a double ring structure by a surrounding protein scaffold and additional carotenoids, with both rings exhibiting different coupling strengths between the chromophores due to their arrangement. However, the LH2 complexes of both species differ in their absorption behavior in the near-infrared spectral range. In the experiments described here, the individual complexes are excited with coherent double pulses and the resulting fluorescence signal is recorded as a function of the time interval between the pulse pair. The excitation of the complexes and recording of the fluorescence signal takes place in a self-constructed fluorescence microscope, whereby the time interval and the phase relationship of the excitation pulses can be controlled with the aid of a pulse shaper and the implementation of spectral amplitude and phase masks. Such excitation of the light-harvesting complexes generates two exciton wave packets that interfere with each other and thus influence the population of the emitting states. This leads to a modulation of the fluorescence depending on the time interval between the pulse pairs. It can be seen that this modulation decays within approximately 100 fs due to the fluctuating microenvironment of the individual complexes, although this is distributed heterogeneously for the light-harvesting complexes observed. In addition, it can be observed that the modulation behavior of individual complexes changes over a period of 60 s on a time scale of approximately 10 s, indicating changes in the energy relaxation paths toward low exciton states. These relaxations utilize the coupling between electronic states and low-frequency vibration modes.