Picobiophotonics for the investigation of pigment-pigment and pigment-protein interactions in photosynthetic complexes [Elektronische Ressource] / Franz-Josef Schmitt. Betreuer: Hans Joachim Eichler

Franz-Josef Kemper

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• Physik

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 6
• Langue: English
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Extrait

Picobiophotonics for the investigation of pigment-pigment
and pigment-protein interactions in photosynthetic
complexes


vorgelegt von

Diplom-Physiker

Franz-Josef Schmitt

geboren in Marburg/ Lahn

von der Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Berlin


zur Erlangung des akademischen Grades


Doktor der Naturwissenschaften





Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. Mario Dähne

Berichter/Gutachter: Prof. Dr. Hans Joachim Eichler

Berichter/Gutachter: Prof. Dr. Gernot Renger

Berichter/Gutachter: Prof. Dr. Thomas Renger


Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 15.08.2011


Berlin 2011


D 83
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ABSTRACT Franz-Josef Schmitt

Picobiophotonics for the investigation of pigment-pigment and
pigment-protein interactions in photosynthetic complexes

Excitation energy transfer (EET) processes in different photosynthetic pigment-protein-complexes
were analysed by time- and wavelength correlated single photon counting (TWCSPC). A new mobile
16-channel photomultiplier with flexible fiber optics, exchangeable light sources and temperature
regulator (10 K – 350 K) was built up for the spectroscopy of samples in cuvettes, on surfaces or of
whole leaves in vivo. The system represents a mobile setup of the powerful TCSPC technique with
6high optical throughput up to 10 counts/sec.
The theoretical description of the excited state dynamics in systems with pigment-pigment and
pigment-protein interaction was performed by using rate equations that were applied on structures with
increasing hierarchical complexity. The study started with a system consisting of two excitonically
coupled Chl molecules in a tetrameric protein environment represented by the recombinant water
soluble Chl binding protein (WSCP) of type IIa and it was completed with a study of the photosystem
II (PSII) dynamics in whole leaves of the higher plant Arabidopsis thaliana. In this way a
quantification of dissipative excited state relaxation processes as a function of increasing excitation
light intensity was achieved. For parameter adaption in the corresponding systems of linear differential
equations a highly efficient algorithm was developed that allows the variation of parameters used to fit
the time resolved optical data under any constraints on the coefficient matrix (e.g. invariance of the
symmetry). The approach permits the determination of selected parameter values, their probability and
stability in any dynamical system. A way to calculate thermodynamic quantities (e.g. entropy) under
nonequilibrium conditions from rate equations is proposed.
The excited state dynamics observed in WSCP were explained by assuming an excitonically coupled
Chl dimer that is modulated by the protein environment on different time scales. The dominating
fluorescence decay component increases from 4.8 ns or 5.2 ns for Chl b or Chl a homodimers,
respectively, at room temperature, to 7.0 or 6.2 ns, respectively, at 10 K. This temperature dependency
is most probably caused by the pigment-pigment- interaction and the energies of the triplet states of
the Chl molecules. A modulation of the electronic states of the coupled Chl dimer by the protein
environment with a typical time constant of 100 ps at 10 K is inferred to be responsible for a fast and
strongly temperature dependent fluorescence component. This idea is qualitatively in line with refined
theoretical models and results of complementary studies of hole burning and fluorescence line
narrowing spectroscopy.

In the phycobiliprotein (PBP) antenna of the cyanobacterium Acaryochloris marina EET occurs with
characteristic time constants of 400 fs, 3-5 ps and 14 ps inside trimeric phycocyanin (PC), from PC to
allophycocyanin (APC) and from APC to the terminal emitter (TE) of the PBP antenna, respectively.
The TWCSPC spectra of whole cells and preparations of isolated PBP complexes exhibit a 20 ps
component each that indicates the intact EET from PC to the TE in agreement with the results of
transient fs absorption spectroscopy. The EET from the PBP antenna to the Chl d containing core
antenna complexes of PS II represents an additional limiting transfer step of about 30-40 ps which
leads to a time constant of the EET from PBP to Chl d in the range of 70 ps.
Coupled and temperature switch-able hybrid systems of surface treated CdSe/ZnS quantum dots (QDs)
with 530 nm emission wavelength and the isolated PBP antenna complexes from A.marina were
formed in aqueous solution by electrostatic self assembly. Based on the theory of Förster Resonance
Energy Transfer (FRET) an average value of 3.2-3.5 nm was obtained for the distance between the
neighbouring transition dipole moments in the QDs and the PBP antenna. It was shown that the
functional coupling between QDs and PBP complexes is interrupted at temperatures below 0°C. This
effect enables the construction of switch-able molecular sensors, photosensibilisators or light
harvesting devices with various applications in biochemistry, biomedicine and photovoltaics.


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KURZZUSAMMENFASSUNG Franz-Josef Schmitt

Pikobiophotonik zur Untersuchung der Pigment-Pigment und Pigment-Protein
Wechselwirkungen in photosynthetischen Komplexen

Anregungsenergietransfer-(EET)-prozesse wurden in verschiedenen photosynthetischen Pigment-
Protein-Komplexen mit zeit- und wellenlängenkorrelierter Einzelphotonenspektroskopie (TWCSPC)
analysiert. Ein neuer mobiler 16-Kanal Photomultiplier mit flexibler Faseroptik, austauschbaren
Lichtquellen und einem Kryostaten (10 K – 350 K) wurde für die Spektroskopie von Proben in
Küvetten, auf Oberflächen oder von ganzen Blättern in vivo aufgebaut. Das System stellt einen
mobilen Messplatz auf Grundlage der leistungsfähigen TCSPC Technik mit hohem Lichtdurchsatz bis
6zu 10 Photonen/ Sekunde dar.
Die theoretische Beschreibung der Anregungszustandsdynamik unter Berücksichtigung von Pigment-
Pigment und Pigment-Protein Wechselwirkung erfolgte über Ratengleichungen, die auf Systeme mit
hierarchisch steigender Komplexität angewendet wurden. Die Untersuchung startete an einer
Anordnung von zwei exzitonisch gekoppelten Chl Molekülen in einer tetrameren Proteinumgebung
wie sie in rekombinantem wasserlöslichen Chlorophyll bindenden Protein (WSCP) des Typs IIa
vorliegt und wurde mit einer Untersuchung der Photosystem II (PSII) Dynamik in ganzen Blättern der
höheren Pflanze Arabidopsis thaliana abgeschlossen. Auf diese Weise wurde z.B. die Quantifizierung
dissipativer Relaxationsprozesse der Anregungszustände bei ansteigender Intensität des
Anregungslichtes ermöglicht. Für die Parameteranpassung in den entsprechenden Systemen linearer
Differentialgleichungen wurde ein effizienter Algorithmus entwickelt, der die Variation von
Parametern zur Anpassung der zeitaufgelösten optischen Daten unter beliebigen Randbedingungen an
die Koeffizientenmatrix (z.B. Invarianz der Symmetrie) ermöglicht. Der Zugang erlaubt die
Bestimmung ausgewählter Parameterwerte, ihre Wahrscheinlichkeit und Stabilität in einem beliebigen
dynamischen System. Ein Weg zur Berechnung thermodynamischer Größen (z.B. Entropie) aus
Ratengleichungen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen wird vorgeschlagen.
Die Anregungszustandsdynamik in WSCP wurde durch die Annahme eines gekoppelten Chl Dimers,
das durch die Proteinumgebung auf verschiedenen Zeitskalen moduliert wird, erklärt. Die
dominierende Komponente der Fluoreszenzkinetik steigt von 4,8 bzw. 5,2 ns für Chl b bzw. Chl a
Homodimere bei Raumtemperatur auf 7,0 bzw. 6,2 ns bei 10 K an. Diese Temperaturabhängigkeit
wird höchstwahrscheinlich durch die Pigment-Pigment Wechselwirkung und die energetische Lage
der Triplettzustände der Chl Moleküle bestimmt. Eine Modulation der elektronischen Zustände durch
die Proteinumgebung mit einer typischen Zeitkonstante von 100 ps bei 10 K ist sehr wahrscheinlich
für eine schnelle und stark temperaturabhängige Fluoreszenzkomponente verantwortlich, die qualitativ
mit weiterentwickelten theoretischen Modellen und Ergebnissen komplementärer Studien mittels
Lochbrenn- und Fluoreszenz line narrowing Spektroskopie übereinstimmt.
In der Phycobiliprotein (PBP) Antenne des Cyanobakteriums Acaryochloris marina findet der EET
mit charakteristischen Zeitkonstanten von 400 fs, 3-5 ps bzw. 14 ps innerhalb des trimeren
Phycocyanins (PC), vom PC zum Allophycocyanin (APC) bzw. vom APC zum terminalen Emitter
(TE) der PBP Antenne statt. Die TWCSPC Spektren ganzer Zellen und Präparationen von isolierten
PBP Komplexen zeigen jeweils eine 20 ps Komponente, die dem Anregungsenergietransfer vom PC
zum TE entspricht, in