"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9453
ETF9453 "Energiatasemete struktuur ja valkude dünaamika looduslikes valgustkoguvates kompleksides (1.01.2012−31.12.2015)", Jörg Pieper, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
ETF9453
Energiatasemete struktuur ja valkude dünaamika looduslikes valgustkoguvates kompleksides
Energy level structure and protein dynamics in a natural light-harvesting complex
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP180 Metroloogia, instrumentatsioon1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.20129 912,00 EUR
01.01.2013−31.12.20139 912,00 EUR
01.01.2014−31.12.20149 912,00 EUR
01.01.2015−31.12.20159 912,00 EUR
39 648,00 EUR

Valkude dünaamikat ja pigmendi-proteiini vastasmõju fotosünteetilistes kompleksides kavandatakse uurida uuenduslikul meetodil, kombineerides selektiivset optilist spektroskoopiat ja kvaasi- ning mitteelastset neutronhajumist. Energiatasemete struktuuri ja eksiton-foonon vastasmõju ettevalmistatud antennivalkudes uuritakse madalatel temperatuuridel, kasutades hästi tuntud spektraalsälkamise ja fluorestsentsi meetodeid. Kvaasi- ja mitteelastse neutronhajumise lisamine optilisele spektroskoopiale annab palju detailsema ja kvantitatiivsema arusaamise valkude vibroonsest ja konformatsioonilisest dünaamikast kõrgematel, ka füsioloogilistel temperatuuridel. Lisaks elektron-interaktsioonide käsitlemisele on kavandatavatel uuringutel potentsiaal selgitada välja, kuidas valguline keskkond kohandab pigmentide spektroskoopilisi omadusi efektiivse valguse kogumise, energia ülekande ja valguskindluse suunas. Peale selle, oodatavad tulemused võimaldaksid sügavamalt aru saada antennide funktsionaalsusest kõrgematel, sealhulgas füsioloogilistel temperatuuridel.
Proteins can be considered as molecular (nano-)machines, whose structures are designed to efficiently perform their biological function. In photosynthesis, antenna protein complexes serve in efficient harvesting of solar energy and ultrafast excitation energy transfer. However, despite of the availability of high-resolution X-ray structures and remarkable advances in theoretical simulations, our insight into excitation energy transfer processes is still limited due to the complexity of native antennae. The major antenna complex of green plants is the light-harvesting complex of Photosystem II (LHC II). In the case of LHC II it is apparent that currently different structural assignments of low-energy states are reported in the literature. In addition, the temperature dependence of excited state positions cannot be understood in terms of presently existing theoretical models. A sudden red-shift of the lowest energy state with increasing temperature above 120 K appears to indicate an influence of conformational protein dynamics on the excited state position. Therefore, the objective of this project is to combine the potentials of site-selective optical spectroscopy and quasielastic neutron scattering to directly investigate effects of conformational protein dynamics and of pigment-pigment interactions in antennae at low-, but also at elevated temperatures. In addition, the use of advanced sample preparations is necessary to circumvent the inherent heterogeneity of LHC II with the presence of several isoforms and a large number of pigment molecules. Therefore, hole-burning and site-selection experiments will be carried out for LHC II samples of different complexity: a) individual isoforms, b) mutants lacking certain pigments, and c) LHC II embedded into lipid bilayers. The focus in mutant studies is on complexes lacking those pigments proposed to carry the lowest energy state. In parallel, effects of pigment-pigment and pigment-protein interaction will be studied in simple model systems containing only one or two pigment molecules. These studies will lead to a detailed characterization of the electronic energy level structure and electron-phonon coupling in model systems and in LHC II at low temperature, where advanced theoretical models are available. Furthermore, quasielastic neutron scattering experiments provide access to the vibrational density of states and to conformational protein dynamics at higher and even physiological temperatures.
Fotosünteetilised antenni- ja reaktsioonitsentri kompleksid etendavad tähtsat osa päikese-energia kogumisel ja muundamisel. Projekti eesmärgiks oli fotosünteetiliste pigment-proteiini komplekside detailne iseloomustamine, kombineerides selleks kõrglahutusega optilist spektroskoopiat ja neutron-hajumist, et uurida vastavate proteiinide struktuuri ja dünaamikat füsioloogilistes tingimustes. Tulemused näitavad, et proteiinide dünaamika mõjutab ergastatud seisundite positsioone (Vrandecic et al. 2015) ja elektron-foonon vastasmõju antenni kompleksides (Golub et al. 2015). Töötasime välja uudse kvantitatiivse meetodi proteiini ja lahuse hajumise eraldamiseks mitteelastses neutronhajumises (Rusevich et al. 2015). Lisaks kasutasime neutronhajumise meetodit proteiinide ja membraanide struktuuri uurimisel (Pieper et al. 2015, Golub et al. in preparation) ja olime aktiivselt tegevad laserneutron pump-proovi seadme arendamisel, mis on Eesti panus Euroopa Spallation Source programmi.