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El complejo Fenna– Matthews – Olson (FMO) es un complejo soluble en agua y fue el primer complejo pigmento - proteína (PPC) en ser analizado estructuralmente por espectroscopia de rayos X. [2] Aparece en las bacterias verdes del azufre y media la transferencia de energía de excitación de los clorosomas que captan luz al centro de reacción bacteriano (bRC) incrustado en la membrana. Su estructura es trimérica (simetría C3). Cada uno de los tres monómeros contiene ocho moléculas de bacterioclorofila a (BChl a ). Están unidas al andamiaje proteico a través de la quelación de su átomo central de magnesio, ya sea a aminoácidos de la proteína (principalmente histidina ) o átomos de oxígeno con puentes de agua (solo un BChl a de cada monómero).
Dado que la estructura está disponible, es posible calcular espectros ópticos basados en la estructura para compararlos con espectros ópticos experimentales. [3] [4] En el caso más simple, solo se tiene en cuenta el acoplamiento excitónico de los BChls. [5] Las teorías más realistas consideran el acoplamiento pigmento-proteína. [6] Una propiedad importante es la energía de transición local (energía del sitio) de los BChls, diferente para cada uno, debido a su entorno proteico local individual. Las energías del sitio de los BChls determinan la dirección del flujo de energía.
Se dispone de cierta información estructural sobre el supercomplejo FMO-RC, que se obtuvo mediante microscopía electrónica [7] [8] y espectros de dicroísmo lineal medidos en trímeros FMO y complejos FMO-RC. A partir de estas mediciones, son posibles dos orientaciones del complejo FMO en relación con el RC. La orientación con BChl 3 y 4 cerca del RC y BChl 1 y 6 (siguiendo la numeración original de Fenna y Matthews) orientadas hacia los clorosomas es útil para una transferencia de energía eficiente. [9]
El complejo es el PPC más simple que aparece en la naturaleza y, por lo tanto, un objeto de prueba adecuado para el desarrollo de métodos que se pueden transferir a sistemas más complejos como el fotosistema I. Engel y sus colaboradores observaron que el complejo FMO exhibe una coherencia cuántica notablemente larga , [10] pero después de aproximadamente una década de debate, se demostró que esta coherencia cuántica no tiene importancia para el funcionamiento del complejo. [11] Además, se demostró que las oscilaciones de larga duración informadas observadas en los espectros se deben únicamente a la dinámica vibracional del estado fundamental y no reflejan ninguna dinámica de transferencia de energía. [12]
La recolección de luz en la fotosíntesis emplea procesos mecánicos clásicos y cuánticos con una eficiencia energética de casi el 100 por ciento. [ cita requerida ] Para que la luz produzca energía en los procesos clásicos, los fotones deben llegar a los sitios de reacción antes de que su energía se disipe en menos de un nanosegundo. En los procesos fotosintéticos, esto no es posible. Debido a que la energía puede existir en una superposición de estados, puede recorrer todas las rutas dentro de un material al mismo tiempo. Cuando un fotón encuentra el destino correcto, la superposición colapsa, haciendo que la energía esté disponible. Sin embargo, ningún proceso puramente cuántico puede ser completamente responsable, porque algunos procesos cuánticos ralentizan el movimiento de objetos cuantizados a través de redes. La localización de Anderson evita la propagación de estados cuánticos en medios aleatorios. Debido a que el estado actúa como una onda, es vulnerable a efectos de interferencia disruptiva. Otro problema es el efecto zenón cuántico , en el que un estado inestable nunca cambia si se mide/observa continuamente, porque la observación empuja constantemente el estado, evitando que colapse. [13] [14]
Las interacciones entre los estados cuánticos y el entorno actúan como mediciones. La interacción clásica con el entorno cambia la naturaleza ondulatoria del estado cuántico lo suficiente como para evitar la localización de Anderson, mientras que el efecto zeno cuántico extiende la vida útil del estado cuántico, lo que le permite alcanzar el centro de reacción. [13] La propuesta de una larga vida útil de la coherencia cuántica en el FMO influyó en muchos científicos para investigar la coherencia cuántica en el sistema, y el artículo de Engel de 2007 fue citado más de 1500 veces en los 5 años posteriores a su publicación. La propuesta de Engel aún se debate en la literatura con la sugerencia de que los experimentos originales se interpretaron incorrectamente asignando las oscilaciones espectrales a coherencias electrónicas en lugar de coherencias vibracionales del estado fundamental, que naturalmente se esperará que vivan más debido al ancho espectral más estrecho de las transiciones vibracionales.
El problema de encontrar un centro de reacción en una matriz proteica es formalmente equivalente a muchos problemas informáticos. La asignación de problemas informáticos a búsquedas de centros de reacción puede permitir que la recolección de luz funcione como un dispositivo computacional, mejorando las velocidades computacionales a temperatura ambiente y obteniendo una eficiencia de 100 a 1000 veces. [13]