La tecnica di visualizzazione quantistica fornisce informazioni sulla fotosintesi

6 giugno 2023

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dal Grainger College of Engineering dell'Università dell'Illinois

I sistemi che obbediscono alla meccanica quantistica sono notoriamente difficili da visualizzare, ma i ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign hanno sviluppato una tecnica di illustrazione che mostra le caratteristiche quantistiche in un diagramma di facile lettura chiamato mappa di coerenza. I ricercatori hanno utilizzato queste mappe per studiare i meccanismi quantistici alla base della fotosintesi, il processo mediante il quale le piante e alcuni batteri utilizzano la luce solare per convertire l’anidride carbonica e l’acqua in cibo.

"Era difficile credere quanto fossero semplici le mappe di coerenza", ha detto Nancy Makri, professoressa di chimica all'Università di I. e responsabile del progetto. "Quando si ha a che fare con fenomeni quantistici non intuitivi come parte di processi complessi come la fotosintesi, interpretare i calcoli teorici può essere una vera sfida. Ma le mappe di coerenza ti dicono tutto ciò che devi sapere in un'istantanea."

In uno studio pubblicato su The Journal of Physical Chemistry Letters, il gruppo di ricerca di Makri ha applicato mappe di coerenza per analizzare in un modo nuovo le precedenti simulazioni al computer di batteri fotosintetizzanti. I ricercatori hanno studiato il complesso molecolare che "raccoglie" la luce solare, assorbendola e trasferendone l'energia a un sito di reazione chimica dove vengono processate anidride carbonica e acqua. Le mappe di coerenza non solo mostravano chiaramente il modo in cui l’energia veniva trasferita al sito di reazione, ma fornivano una chiara spiegazione quantistica per il trasferimento.

Makri ha spiegato che le mappe di coerenza sono illustrazioni della matrice a densità ridotta, un oggetto matematico contenente tutte le informazioni sul comportamento quantistico di un sistema. "Anche per i sistemi di dimensioni modeste, la matrice a densità ridotta diventa piuttosto grande e tutti i suoi componenti sono correlati", ha affermato. "Sono semplicemente troppe informazioni da analizzare. Con le mappe di coerenza, però, ci sono tantissime informazioni che emergono dalle immagini semplicemente a colpo d'occhio."

Queste informazioni hanno permesso ai ricercatori di identificare i percorsi di trasferimento di energia nel complesso batterico di raccolta della luce "in modo molto trasparente", secondo Makri. Il complesso contiene un anello esterno e un anello interno di molecole. L'anello esterno assorbe la luce solare e l'anello interno contiene il sito della reazione chimica. Il gruppo di Makri ha dimostrato che i due anelli sono collegati dai movimenti degli atomi nelle molecole, e le mappe di coerenza hanno chiaramente illustrato che questi movimenti concentrano l'energia dall'anello esterno all'anello interno.

"Guardando al futuro, credo che le mappe di coerenza saranno uno strumento inestimabile per le analisi teoriche basate sulla meccanica quantistica", ha affermato Makri. "Proprio in questo studio hanno fornito importanti informazioni sul meccanismo della fotosintesi, uno dei grandi misteri della biologia."

Il gruppo di ricerca di Makri ha riportato simulazioni del meccanismo di trasferimento di energia nei batteri fotosintetizzanti in Science Advances, e il gruppo ha introdotto mappe di coerenza in The Journal of Physical Chemistry B.

Maggiori informazioni: Reshmi Dani et al, Mappe di coerenza e flusso di energia di eccitazione nel complesso batterico di raccolta della luce 2, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00670

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