Excitation energy transfer between monomeric bacterioclorophylls in reaction centers of P-less mutant of purple photosynthetic bacteria

기술 요약: P-결핍 돌연변이 반응 중심 내 단량체 박테리오클로로필 간의 여기 에너지 전달

문제 제기
자색 세균의 광합성 반응 중심(RC)은 구조적으로 대칭인 A 및 B 분지에 위치한 두 개의 부속 단량체 박테로클로로필(BChl)인 $B_A$와 $B_B$를 포함하고 있다. 주요 전자 전달 경로는 A-분지를 따라 일어나는 것으로 잘 알려져 있으나, $B_A$와 $B_B$ 단량체 사이의 에너지 전달 성격에 대해서는 여전히 이해가 부족하다. 천연 RC에서의 기존 연구들은 (산화된 상태의) RC(여기서 $P$가 $P^+$로 산화됨)에서 $B_A$에서 $B_B$로의 에너지 전달을 시사했으나, $P^+$의 잠재적인 매개 역할과 천연 시스템에서의 전하 분리 역학의 복잡성은 부속 BChl 사이의 초기 시간 역학을 명확하게 해석하는 데 걸림돌이 되었다. $P$가 없는 상태에서 $B_A$와 $B_B$ 사이의 에너지 전달 메커니즘, 속도 및 가역성을 규명하기 위해서는 추가적인 조사가 필요하며, 이는 RC가 들뜬 상태가 비국소화된 하나의 "슈퍼분자(supermolecule)"로서 기능하는지 여부를 결정하는 데 중요하다.

연구 방법론
본 연구는 Rb. sphaeroides의 돌연변이 균주(VR(L157))에서 유래한 RC를 사용하여 BChl의 들뜬 상태 초기 역학을 조사하기 위해 펨토초 펌프-프로브 미분 흡수 분광법을 활용하였다. 이 돌연변이에서는 발린(valine)이 아르기닌(arginine)으로 교체되어 $P$ 이합체가 결여된다. 이러한 변형은 부속 BChl($B^*$)의 들뜬 상태 수명을 약 850 ps로 연장하여, 전하 분리를 효과적으로 제거함으로써 전자 전달의 간섭 없이 순수한 여기 역학을 관찰할 수 있게 한다.

• 실험 설정: 40 fs 레이저 펄스를 사용하여 BChl의 $Q_y$ 흡수 띠(780–820 nm)에 맞춘 시간 분해 미분 흡수 스펙트럼($\Delta A$)을 측정하였다. 실험은 상온(295 K)과 저온(77 K)에서 수행되었다.
• 여기 전략: 준선택적 여기를 달성하기 위해 펌프 파장을 다음과 같이 변화시켰다:
  • $\lambda_{pump} \approx 785$ nm: 주로 $B_A$를 여기함 (약 70% $B_A$, 30% $B_B$).
  • $\lambda_{pump} \approx 815-820$ nm: 주로 $B_B$를 여기함 (약 25% $B_A$, 75% $B_B$).
  • $\lambda_{pump} \approx 796$ nm: $B_A$와 $B_B$를 거의 동일하게 여기함.
• 분석: 결과로 얻은 $\Delta A$ 스펙트럼은 감쇄 관련 차분 스펙트럼(DADS)과 시간 상수를 추출하기 위해 Glotaran 프로그램을 이용한 전역 분석(global analysis)을 거쳤다. 운동학적 모델링은 온도에 따른 스펙트럼 중첩 적분을 고려하기 위해 포르스터 이론(Förster theory)을 적용하여 $B_A^*$와 $B_B^*$ 사이의 가역적 에너지 전달을 기술하는 미분 방정식 체계를 사용하여 수행되었다.

주요 결과

1. 스펙트럼 이동: 여기 시, $\Delta A$ 스펙트럼은 약 300 fs 이내에 음의 극대값(블리칭/유도 방출 밴드) 위치에서 급격한 이동을 보였다.

   • 적색 이동(Red Shift): $B_A$가 주로 여기되었을 때($\lambda_{pump} = 785$ nm), 스펙트럼은 적색 방향으로 이동하였다. 이동 폭은 온도 의존적이었다: 295 K에서 약 1.5 nm, 77 K에서 약 2.5 nm.
   • 청색 이동(Blue Shift): $B_B$가 주로 여기되었을 때($\lambda_{pump} = 815$ nm), 295 K에서 $\le$ 1 nm만큼 청색 방향으로 이동하였다. 77 K에서는 이 청색 이동이 관찰되지 않았다.
   • 시간 상수: 전역 분석 결과, 이러한 스펙트럼 이동은 약 100 fs의 시간 상수를 가지고 발생하였다 (77 K에서 104 fs, 295 K에서 98 fs).

2. 진동(Oscillations): 77 K에서, 운동학적 피팅의 잔차(residuals)에서 진폭 약 2%의 매우 감쇠된 진동이 검출되었다. 이 진동의 주기는 약 340 fs였다. 이 진동의 푸리에 변환은 90–102 cm$^{-1}$의 주파수를 나타냈으며, 이는 $B_A$와 $B_B$ 사이의 에너지 차이 또는 특정 진동 모드에 해당한다. 이러한 진동은 295 K에서는 관찰되지 않았다.

3. 운동학적 모델링: $B_A^* \leftrightarrow B_B^*$ 사이의 가역적 에너지 전달을 가정하는 모델이 실험 데이터를 성공적으로 재현하였다.

   • 순방향 전달 속도($k_1$, $B_A \to B_B$)는 온도에 거의 독립적이었다 ($\sim 1/134$ fs at 295 K; $\sim 1/128$ fs at 77 K).
   • 역방향 전달 속도($k_2$, $B_B \to B_A$)는 낮은 온도에서 크게 감소하였다 ($\sim 1/363$ fs at 295 K; $\sim 1/562$ fs at 77 K).
   • 순방향 및 역방향 속도의 비율($k_1/k_2$)은 295 K에서 2.7, 77 K에서 4.4로 나타났다. 이 비율은 스펙트럼 이동의 비대칭성을 설명한다: 지배적인 순방향 전달는 $B_A$가 여기될 때 적색 이동을 일으키며, 유의미한 역방향 전달는 $B_B$가 여기될 때의 청색 이동을 제한한다.

의의 및 주장
저자들은 관찰된 급격한 스펙트럼 이동과 도출된 운동학적 매개변수가 $B_A$와 $B_B$ 단량체 사이의 밀접한 상호작용 및 가역적 에너지 전달의 직접적인 증거를 제공한다고 주장한다. 본 연구는 RC 색소-단백질 복합체가 서브 피코초(sub-picosecond) 시간 척도에서 여기 에너지가 비국소화되는 단일 "슈퍼분자"라는 개념을 뒷받침한다.

핵심 결론은 다음과 같다:

• $B_A$와 $B_B$ 사이의 높은 에너지 전달 속도(~100 fs)는 전자-포논 상호작용 에너지와 맞먹는 강한 전자적 결합을 나타낸다.
• 메커니즘은 혼합 상태(mixed states)의 형성 또는 단량체의 부분적 이합체화(partial dimerization)에 의해 촉진될 수 있는 전통적인 에너지 전달과 내부 전환(internal conversion, 엑시톤 완화)의 조합을 포함할 가능성이 높다.
• 돌연변이에서 $P$ 이합체의 부재는 $B_A$와 $B_B$의 고유한 특성으로서의 급격한 에너지 비국소화 현상을 명확하게 관찰할 수 있게 하여, 이를 확인시켜 주었다.
• 이러한 급격한 비국소화는 강한 빛 조건 하에서 개별 색소가 과도하게 펌핑되어 손상되는 것을 방지하는 보호 기능을 수행할 수 있다.

저자들은 운동학적 모델이 데이터를 잘 설명하지만, 이 전달을 지배하는 구체적인 물리적 메커니즘(예: 결맞음(coherence) 대 비결맞음 호핑(incoherent hopping)의 범위)을 완전히 규명하기 위해서는 알려진 RC 구조에 기반한 엄밀한 이론적 모델링이 필요하다고 겸허히 언급하였다.