量子可視化技術により光合成についての洞察が得られる

2023 年 6 月 6 日

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イリノイ大学グレンジャー工科大学著

量子力学に従うシステムは視覚化が難しいことで知られていますが、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者らは、コヒーレンス・マップと呼ばれる読みやすい図で量子の特徴を表示する図解技術を開発しました。 研究者らはこれらのマップを使用して、植物や一部の細菌が太陽光を利用して二酸化炭素と水を食物に変換するプロセスである光合成の基礎となる量子機構を研究した。

「コヒーレンスマップがこれほど単純だということが信じられませんでした」と、イリノイ大学の化学教授でプロジェクト責任者のナンシー・マクリ氏は語った。 「光合成のような複雑なプロセスの一部として非直観的な量子現象を扱う場合、理論計算を解釈するのは非常に困難な場合があります。しかし、コヒーレンスマップは、知る必要があるすべてをスナップショットで教えてくれます。」

The Journal of Physical Chemistry Letters に掲載された研究では、マクリの研究グループはコヒーレンス マップを適用して、光合成細菌の以前のコンピューター シミュレーションを新しい方法で分析しました。 研究者らは、太陽光を「収穫」し、太陽光を吸収し、そのエネルギーを二酸化炭素と水が処理される化学反応サイトに伝達する分子複合体を研究した。 コヒーレンス マップは、エネルギーがどのように反応部位に移動するかを明確に表示するだけでなく、その移動について明確な量子的説明を与えます。

マクリ氏は、コヒーレンスマップは、システムの量子挙動に関するすべての情報を含む数学的オブジェクトである縮小密度行列を図示したものであると説明した。 「適度なサイズのシステムであっても、低減された密度マトリックスは非常に大きくなり、そのすべてのコンポーネントは相互に関連しています」と彼女は言いました。 「分析するには情報が多すぎます。しかし、コヒーレンス マップを使用すると、一目見ただけで写真から飛び出す情報が大量にあります。」

マクリ氏によると、この情報により、研究者らは細菌の集光複合体内のエネルギー伝達経路を「非常に透明に」特定することができたという。 複合体には、分子の外側の環と内側の環が含まれています。 外側のリングは太陽光を吸収し、内側のリングには化学反応部位が含まれます。 マクリ氏のグループは、2つの環が分子内の原子の運動によって接続されていることを示し、コヒーレンスマップはこれらの運動がエネルギーを外側の環から内側の環に集中させることを明確に示した。

「将来を見据えると、コヒーレンスマップは量子力学に基づいた理論分析にとって非常に貴重なツールになると信じています」とマクリ氏は語った。 「ちょうどこの研究において、彼らは生物学の大きな謎の一つである光合成のメカニズムについて重要な洞察を与えました。」

マクリ氏の研究グループは、Science Advances で光合成細菌のエネルギー伝達機構のシミュレーションを報告し、同グループは The Journal of Physical Chemistry B でコヒーレンスマップを紹介しました。

詳しくは： Reshmi Dani et al、「Bacterial Light Harvesting Complex 2 におけるコヒーレンス マップと励起エネルギーの流れ」、The Journal of Physical Chemistry Letters (2023)。 DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00670

雑誌情報:物理化学レタージャーナル

イリノイ大学グレンジャー工科大学提供