緑色の光合成細菌のクロロソームにおけるバクテリオクロロフィルC凝集体の超放射線

クロロソームは、低光条件での光栄養生物に適応される緑色の光合成細菌の主な光吸収錯体です。それらには、自己組織化凝集体で組織された多数のバクテリオクロロフィルC、D、またはE分子が含まれています。顔料の密着剤は、モノマー間の強い励起筋相互作用をもたらし、吸収スペクトルの赤方偏移と励起の非局在化につながります。クロロソームには大量の障害があるため、非局在化の程度は限られており、励起後の時間はさらに減少します。この作業では、バクテリオクロロフィルC分子間の励起物の相互作用が、励起子弛緩後でもある程度の非局在化を維持するのに十分な強さであるかどうかという質問に対処します。それは、集合的な自発的排出、いわゆる超放射によって現れるでしょう。凝集によって引き起こされる非常に低い蛍光量子収量と短い励起状態寿命にもかかわらず、クロロソームは実際に超放射を示すことを示しています。放出は、少なくとも2つの分子にわたって非局在化された状態から発生します。言い換えれば、放射状態の双極子強度は、バクテリオクロロフィルCモノマーの方が大きいです。これは、低光条件で不可欠な励起エネルギー移動の確率を高める重要な機能的メカニズムを表しています。同様の挙動が1つのタイプの人工凝集体でも観察され、これは人工光合成での使用の可能性に有益である可能性があります。

Chlorosomes are the main light-harvesting complexes of green photosynthetic bacteria that are adapted to a phototrophic life at low-light conditions. They contain a large number of bacteriochlorophyll c, d, or e molecules organized in self-assembling aggregates. Tight packing of the pigments results in strong excitonic interactions between the monomers, which leads to a redshift of the absorption spectra and excitation delocalization. Due to the large amount of disorder present in chlorosomes, the extent of delocalization is limited and further decreases in time after excitation. In this work we address the question whether the excitonic interactions between the bacteriochlorophyll c molecules are strong enough to maintain some extent of delocalization even after exciton relaxation. That would manifest itself by collective spontaneous emission, so-called superradiance. We show that despite a very low fluorescence quantum yield and short excited state lifetime, both caused by the aggregation, chlorosomes indeed exhibit superradiance. The emission occurs from states delocalized over at least two molecules. In other words, the dipole strength of the emissive states is larger than for a bacteriochlorophyll c monomer. This represents an important functional mechanism increasing the probability of excitation energy transfer that is vital at low-light conditions. Similar behaviour was observed also in one type of artificial aggregates, and this may be beneficial for their potential use in artificial photosynthesis.