"Institutsionaalne uurimistoetus" projekt IUT2-28
IUT2-28 "Biosüsteemide kvantergastuste uuring laias temperatuuride ja rõhkude vahemikus optilise spektroskoopia ja neutronite hajumise meetoditel (1.01.2013−31.12.2018)", Arvi Freiberg, Tartu Ülikool, Loodus- ja täppisteaduste valdkond, Molekulaar- ja rakubioloogia instituut.
IUT2-28
Biosüsteemide kvantergastuste uuring laias temperatuuride ja rõhkude vahemikus optilise spektroskoopia ja neutronite hajumise meetoditel
Quantum excitations in biosystems over broad temperature and pressure range studied by optical spectroscopy and neutron scattering
1.01.2013
31.12.2018
Institutsionaalne uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP230 Aatomi- ja molekulaarfüüsika 1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)50,0
1. Bio- ja keskkonnateadused1.12. Bio- ja keskkonnateadustega seotud uuringud, näiteks biotehnoloogia, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, biofüüsika, majandus- ja tehnoloogiauuringudB120 Molekulaarne biofüüsika1.5. Bioteadused (bioloogia, botaanika, bakterioloogia, mikrobioloogia, zooloogia, entomoloogia, geneetika, biokeemia, biofüüsika jt50,0
PerioodSumma
01.01.2013−31.12.2013213 000,00 EUR
01.01.2014−31.12.2014213 000,00 EUR
01.01.2015−31.12.2015213 000,00 EUR
01.01.2016−31.12.2016213 000,00 EUR
01.01.2017−31.12.2017213 000,00 EUR
1 065 000,00 EUR
852000,00

Füüsikas domineerivad kvantnähtused. Põhilised bioloogilised protsessid, sealhulgas fotosüntees, näivad järgivat üksnes klassikalisi reegleid. Samas jälle, kuna fotosüntees algab footoni neeldumisega, kas ei saaks ja tuleks seda nähtust käsitleda veelahkmena klassikalise ja kvantmaailma vahel? Eriteadlaste hulgas on üldlevinud ettkujutus, et neeldunud valguskvant tekitab fotosünteetilistes antennikompleksides koherentse eksitoni, mis tõhusalt ergastusenergiat edasi reaktsioonitsentrile kannab. See visioon on aga peamiselt krüogeensetel temperatuuridel läbi viidud katsetulemuste tõlgendamise tulemus. Füsioloogilistel temperatuuridel toimivatest eksitonidest pole suurt midagi teada. Antud projekt eesmärk ongi viimasele küsimusele valgust heita. Katselisi ja teoreetili uuringuid teostatakse laias temperatuuride ja rõhkude vahemikus, kasutades kaasaegseid optilise spektroskoopia ja neutronite hajumise meetodeid.
Physical phenomena have fundamentally quantum origin. Basic biological processes, including photosynthesis, on the other hand, typically obey classical rules. However, since photosynthesis begins with absorption of solar quanta, it can be considered at a borderline of classical and quantum realms. It is generally agreed that absorption of a solar photon by light-harvesting antenna complexes creates a coherent exciton that transfers its energy very efficiently to the photochemical reaction centre, where it is subsequently transformed into chemical energy. Yet this insight has primarily arisen from interpretation of the low-temperature spectroscopic experiments; evidence for the excitons at physiological temperatures is scarce at best. Basic experimental and theoretical studies are, therefore, planned over broad range from cryogenic through ambient temperatures to prove the presence of photosynthetic excitons at functional conditions and to study their properties.

Vastutav täitja (1)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Arvi FreibergdoktorikraadTartu Ülikooli Füüsika Instituut, biofüüsika ja keskonnafüüsika osakonna juhataja Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, biofüüsika labori juhatajaEST / ENG01.01.2013−31.12.2018

Põhitäitjad (3)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Jörg PieperdoktorikraadTartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, bioloogilise füüsika professor (1,00)EST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Margus RätsepdoktorikraadEST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Kõu TimpmanndoktorikraadTartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, biofüüsika vanemteadur (1,00)EST / ENG01.01.2013−31.12.2018

Täitjad (8)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Manoop ChenciliyanEST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Erko JalvistedoktorikraadTartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, Teadur (1,00)EST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Liina KangurdoktorikraadEST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Kristjan LeigerdoktorikraadEST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Juha Matti LinnantodoktorikraadTartu Ülikool, Loodus- ja täppisteaduste valdkond, Füüsika instituut, teoreetilise biofüüsika vanemteadur (1,00)EST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Mihkel PajusaludoktorikraadMassachusettsi Tehnoloogiainstituut, Järeldoktorant (Postdoctoral Associate) (1,00)EST / ENG01.01.2013−31.08.2015
Liis ReisbergmagistrikraadEST / ENG01.01.2013−31.12.2015
Hain SalujärvEST / ENG01.01.2013−31.12.2018
Projektid
Projekt
IUT2-28AP13; "Väikesemahulise teaduse infrastruktuuri kaasajastamine teadusteema IUT2-28 raames"; Arvi Freiberg;
MLTFY15158R; "Rakumembraani assümmeetria ja kõveruse mõju membraanvalkude funktsioneerimisele ja terapeutiliste komponentide transpordile"; Arvi Freiberg;
Publikatsioonid
Publikatsioonid
Eek, P.; Piht, M.-A.; Rätsep, M.; Freiberg, A.; Järving, I.; Samel, N. (2015). A conserved π–cation and an electrostatic bridge are essential for 11R-lipoxygenase catalysis and structural stability. Biochimica et Biophysica Acta - Molecular and Cell Biology of Lipids, 1851 (10), 1377−1382.10.1016/j.bbalip.2015.07.007.
Puusepp, Marit; Kangur, Liina; Freiberg, Arvi (2015). Dissociation of the light-harvesting membrane protein complex I from Rhodobacter sphaeroides under high hydrostatic pressure. High Pressure Research, 35 (2), 176−180.10.1080/08957959.2015.1017817.
Pajusalu, M.; Kunz, R.; Rätsep, M.; Timpmann, K.; Köhler, J.; Freiberg, A. (2015). Unified analysis of ensemble and single-complex optical spectral data from light-harvesting complex-2 chromoproteins for gaining deeper insight into bacterial photosynthesis. Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, 92 (5), 052709-1−052709-12.10.1103/PhysRevE.92.052709.
Timpmann, Kõu; Chenchiliyan, Manoop; Jalviste, Erko; Timney, John A; Hunter, C. Neil; Freiberg, Arvi (2014). Efficiency of light harvesting in a photosynthetic bacterium adapted to different levels of light. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics, 1837 (10), 1835−1846.10.1016/j.bbabio.2014.06.007.
Reimers, Jeffrey R: Cai, Zheng-Li; Kobayashi, Rika; Rätsep, Margus, Freiberg, Arvi; Krausz, Elmars (2014). Formation of water–chlorophyll clusters in dilute samples of chlorophyll-a in ether at low temperature. Physical Chemistry Chemical Physics, 16 (6), 2323−2330.10.1039/c3cp53729c.
Kunz, Ralf; Timpmann, Kõu; Southall, June; Cogdell, Richard J; Freiberg, Arvi; Köhler, Jürgen (2014). Single-Molecule Spectroscopy Unmasks the Lowest Exciton State of the B850 Assembly in LH2 from Rps. acidophila. Biophysical Journal, 106, 2008−2016.
Rätsep, Margus; Pajusalu, Mihkel; Linnanto, Juha Matti; Freiberg, Arvi (2014). Subtle spectral effects accompanying the assembly of bacteriochlorophylls into cyclic light harvesting complexes revealed by high-resolution fluorescence spectroscopy. Journal of Chemical Physics, 141 (15), 155102-1−155102-10.10.1063/1.4897637.
Pajusalu, Mihkel; Rätsep, Margus; Freiberg, Arvi (2014). Temperature dependent electron–phonon coupling in chlorin-doped impurity glass and in photosynthetic FMO protein containing bacteriochlorophyll a. Journal of Luminescence, 152, 79−83.10.1016/j.jlumin.2013.12.011.
Pajusalu, Mihkel; Rätsep, Margus; Freiberg, Arvi (2014). Temperaturedependentelectron–phonon couplinginchlorin-doped impurity glassandinphotosyntheticFMOproteincontaining bacteriochlorophylla. Journal of Luminescence, 152, 79−83.
Linnanto, Juha-Matti; Freiberg, Arvi (2014). Computation Studies into Architecture and Energy Transfer Properties of Photosynthetic Units from Filamentous Anoxygenic Phototrophs. AIP Conference Proceedings, 1618, 23−26.10.1063/1.4897664.
Pieper, Jörg; Freiberg, Arvi (2014). Electron-phonon and exciton-phonon coupling in light harvesting. Insights from line-narrowing spectroscopies. In: Golbeck, John; van der Est, Art (Ed.). The Biophysics of Photosynthesis (45−78).. Springer.10.1007/978-1-4939-1148-6.
Linnanto, Juha-Matti (2014). Preface of the “Symposium on Progress in Computational Studies of Solar Light Harvesting - Computational Approaches to Biology”. AIP Conference Proceedings, 1618 (12), 12−12.10.1063/1.4897661.
Reimers, Jeffrey R.; Cai, Zheng-Li; Kobayashi, Rika; Rätsep, Margus; Freiberg, Arvi (2014). The Role of High-Level Calculations in the Assignment of the Q-Band Spectra of Chlorophyll. AIP Conference Proceedings, 1618, 18−22.10.1063/1.4897663.
Reimers, Jeffrey R.; Cai, Zheng-Li; Kobayashi, Rika; Rätsep, Margus; Freiberg, Arvi; Krausz, Elmars (2013). Assignment of the Q-bands of the chlorophylls: Coherence loss via Qx mixing. Scientific Reports, 3, 2761.10.1038/srep02761.
Freiberg, A.; Pajusalu, M.; Rätsep, M. (2013). Excitons in intact cells of photosynthetic bacteria. The Journal of Physical Chemistry B, 117 (38), 11007−11014.dx.doi.org/10.1021/jp3098523.
Kunz, Ralf; Timpmann, Kõu; Southall, June; Cogdell, Richard J.; Freiberg, Arvi; Köhler, Arvi (2013). Fluctuations in the electron-phonon coupling of a single chromoprotein. Angewandte Chemie International Edition, 52 (33), 8726−8730.10.1002/anie.201303231.
Leiger, Kristjan; Reisberg, Liis; Freiberg, Arvi (2013). Fluorescence Micro-Spectroscopy Study of Individual Photosynthetic Membrane Vesicles and Light-Harvesting Complexes. The Journal of Physical Chemistry B, 117 (32), 9315−9326.10.1021/jp4014509.
Kunz, R.; Timpmann, K.; Southall, J.; Cogdell, R.J.; Köhler, J.; Freiberg, A. (2013). Fluorescence-Excitation and Emission Spectra from LH2 Antenna Complexes of Rhodopseudomonas acidophila as a Function of the Sample Preparation Conditions. Journal of Physical Chemistry B, 117 (40), 12020−12029.10.1021/jp4073697.
Pieper, Jörg; Rusevich, Leonid; Hauß, Thomas; Renger, Gernot (2015). Lamellar spacing of photosystem II membrane fragments upon dehydration studied by neutron membrane diffraction. Optofluidics, Microfluidics and Nanofluidics, 36−40.10.1515/optof-2015-0005.
Vrandecic, Kamarniso; Rätsep, Margus; Wilk, Laura; Rusevich, Leonid; Golub, Maksym; Reppert, Mike; Irrgang, Klaus; Kühlbrandt, Werner; Pieper, Jörg (2015). Protein Dynamics Tunes Excited State Positions in Light-Harvesting Complex II. The Journal of Physical Chemistry B, 119 (10), 3920−3930.10.1021/jp5112873.
Rusevich, Leonid; Embs, Jan; Bektas, Inga; Paulsen, Harald; Renger, Gernot; Pieper, Jörg (2015). Protein and solvent dynamics of the water-soluble chlorophyll-binding protein (WSCP). EPJ Web of Conferences, 83, 02016.10.1051/epjconf/20158302016.
Pieper, Jörg (2015). The Functional Role of Protein Dynamics in Photosynthetic Reaction Centers Investigated by Elastic and Quasielastic Neutron Scattering. EPJ Web of Conferences, 83, 02013.10.1051/epjconf/20158302013.
Golub, Maksym; Irrgang, Klaus-Dieter; Rusevich, Leonid; Pieper, Jörg (2015). Vibrational Dynamics of Plant Light-Harvesting Complex LHC II Investigated by Quasi- and Inelastic Neutron Scattering. 83. 02004.10.1051/epjconf/20158302004.
Gryliuk, G.; Rätsep, M.; Hildebrandt, S.; Irrgang, K.-D.; Eckert, H.-J.; Pieper, Jörg (2014). Excitation energy transfer and electron-vibrational coupling in phycobiliproteins of the cyanobacterium Acaryochloris marina investigated by site-selective spectroscopy. Biochimica et Biophysica Acta-Bioenergetics, 1837 (9), 1490−1499.10.1016/j.bbabio.2014.02.010.
Nagy, G.; Garab, G.; Pieper, J. (2014). Neutron Scattering in Photosynthesis Research. S. Allakhverdiev, A. B. Rubin, V. A. Shuvalov. Contemporary Problems of Photosynthesis (69−121).. Izhevsk Institute of Computer Science, Izhevsk–Moscow.
Jurcek, Ondrej; Bonakdarzadeh, Pia; Kalenius, Elina; Linnanto, Juha Matti; Groessl, Michael; Knochenmuss, Richard; Ihalainen, Janne A.; Rissanen, Kari (2015). Superchiral Pd3L6 Coordination Complex and Its Reversible Structural Conversion into Pd3L3Cl6 Metallocycles. Angewandte Chemie International Edition, 54 (51), 15462−15467.10.1002/anie.201506539.
Juhendamised
Juhendamised
Liina Kangur, doktorikraad, 2013, (juh) Arvi Freiberg, High-Pressure Spectroscopy Study of Chromophore-Binding Hydrogen Bonds in Light-Harvesting Complexes of Photosynthetic Bacteria (Kõrgrõhu-spektroskoopiline uurimus fotosünteetiliste bakterite valgust koguvate valkude kromofooride vesiniksidemetest), Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Molekulaar- ja Rakubioloogia Instituut.
Mihkel Pajusalu, doktorikraad, 2014, (juh) Arvi Freiberg; Margus Rätsep, Localized Photosynthetic Excitons (Lokaliseerunud fotosünteetilised eksitonid), Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
Elerin Albin, magistrikraad, 2014, (juh) Arvi Freiberg; Margus Rätsep; Juha Matti Linnanto, Karotenosoomi alusplaadis paiknevate BChl a molekulide vaheliste interaktsioonide uurimine optilise spektroskoopia meetoditega, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Molekulaar- ja Rakubioloogia Instituut.