Marines Lichtsammeln im Blauen: Theorie und Experiment

In den ersten Schritten der Photosynthese wird Sonnenlicht in sogenannten Lichtsammelkomplexen absorbiert. Danach wird die Anregungsenergie zu den photosynthetischen Reaktionszentren transferriert, in welchen eine Serie von Elektronentransferprozessen die metabolische Funktion des Organisnmus startet. Für die photosynthetischen Organismen ist eine Adaption an die durch die Umgebung vorgegebenen Lichtbedingungen essentiell. Ungefähr 40 % der globalen photosynthetischen Energieumwandlung findet in der wässrigen Umgebung der Ozeane statt, speziell in Mikroalgen, die man Diatome nennt, und in Dinoflagellaten. Beide haben ihren Lichtsammelapparat an die Lichtbedingungen unter der Wasseroberfläche angepasst und ihre Absorption im grünen und blauen Spektralbereich verstärkt, in dem sie neben Chlorophyll a (Chl a), das auch in Pflanzen vorkommt, die neuen Pigmente Chl c und das Karotenoid Fucoxathin (Fx) in Diatomen und Peridinin (Per) in Dinoflagellaten, nutzen. Insbesondere übernehmen die Karotenoide in der marinen Photosynthese die Rolle des Hauptlichtsammelpigmentes, während sie in Pflanzen vor allem eine photoprotektive Rolle spielen. Das Hauptziel dieses Projektes ist es eine mikroskopisches Verständnis der Adaption dieser marinen Organismen zu entwickeln. Wir suchen nach einer strukturbasierten Erklärung des Energietransfers von Fx und Chl c zu Chl a im Fucoxanthin-Chlorophyll a/c-Protein (FCP) und zwischen Per und Chl a im Peridinin-Chlorophyll-Protein (PCP). Zu diesem Zweck haben wir einen kombinierten experimentellen und theoretischen Zugang gewählt. Die Arbeitsgruppe von Jürgen Hauer an der TU München wird die elektronische Struktur und Dynamik der angeregten Zustände von PCP und FCP und ihrer Komponenten mit zeitaufgelöster Spektroskopie charakterisieren. Dabei werden die Proben von FCP in den Laboren der AG von Radek Litvin am Institut für molekulare Pflanzenbiologie and der Universität Südböhmen der Tschechischen Republik hergestellt. Die PCP-Proben werden von der AG Echhard Hoffmann an der Universität Bochum geliefert. Die AG Thomas Renger an der JKU in Linz wird den Frenkel- Exzitonenhamiltonoperator von FCP und PCP mit quantenchemischen und elektrostatischen Methoden parametrisieren und die optischen Spektren und den Energietransfer mit Methoden der Nichtgleichgewichtsquantenstatistik berechnen.