Fenna-Matthews-Olson-komplekset (FMO) er en integreret antenne af lys-høstende kompleks af grønne svovlbakterier , som medierer overførslen af excitationsenergi fra chlorosomer til bakterielle reaktionscentre (RC'er) indlejret i membranen .
Pigment-proteinkomplekset blev først isoleret og beskrevet i 1962 af pionerbiokemiker John Melvin Olson (1929-2017) og hans assistent Carol Romano. Kilden til materialet var en bakteriekultur leveret af den sovjetiske mikrobiolog Elena Nikolaevna Kondratieva (1925-1995) [2] .
FMO blev det første pigment-proteinkompleks, hvis tredimensionelle struktur blev beskrevet ved røntgenspektroskopi . Komplekset blev opkaldt efter opdageren John Olson og krystallograferne Roger Fenna (f. 1947) og Brian Matthews (f. 1938) [3] .
Det er en trimer af vandopløseligt pigment - proteinkomplekser . Hver af de tre monomerer indeholder 7 bakteriochlorophyll a -molekyler . De er forbundet gennem et proteinstillads, der danner en koordinationsbinding til det centrale magnesiumatom, enten gennem en aminosyrerest (hovedsageligt histidin ) eller via vandbroer (kun én bakteriochlorophyll på hver monomer).
Da kompleksets struktur er kendt, viste det sig at være muligt at beregne optiske spektre baseret på denne information til sammenligning med eksperimentelle data [4] [5] . I det simpleste tilfælde tages kun exciton- konjugationen af bakteriochlorophyller i betragtning [6] . Mere realistiske modeller tager også højde for pigment-protein-konjugationen [7] . En vigtig egenskab er den lokale energioverførsel (positionsenergi) af bakteriochlorophyller, som er individuel for hvert pigmentmolekyle på grund af dets proteinmiljø. Det er positionsenergien af bakteriochlorophyller, der bestemmer retningen af energistrømmen.
Det var muligt at få nogle oplysninger om strukturen af FMO-RC-superkomplekset, som blev opnået ved hjælp af elektronmikroskopi [8] [9] og lineære dikroismespektre målt på FMO-trimere og FMO-RC-komplekset. Fra disse målinger blev det klart, at to orienteringer af FMO i forhold til reaktionscentret (RC) er mulige. Orienteringen, hvor bakteriochlorophyll 3 og 4 er placeret tæt på RC, og bakteriochlorophyll 1 og 6 (efter den oprindelige nummerering af Fenna og Matthews) ser mod chlorosomer fremmer effektiv energioverførsel [10] .
PMO-komplekset repræsenterer det simpleste lys-høstende kompleks kendt i naturen og er derfor et velegnet testobjekt til udvikling af metoder, der derefter kan overføres til mere komplekse systemer, såsom fotosystem I. FMO udviser overraskende lang kvantekohærens , som spiller en vigtig rolle i energioverførselsprocesser [1] .
Lyshøst i fotosyntese bruger både klassiske og kvantemekaniske processer og har en effektivitet på næsten 100 %. I klassiske processer skal en foton for at modtage lysenergi nå reaktionscentrene, før energien spredes, det vil sige på mindre end et nanosekund. Dette sker dog ikke under fotosyntesen. Fordi energi kan eksistere i mange superpositionstilstande , kan den rejse alle ruter inden for et materiale på samme tid. Når fotonen finder den rigtige destination, kollapser superpositionen, hvilket gør energi tilgængelig. Dette er dog ikke en rent kvanteproces, da nogle kvanteprocesser bremser bevægelserne af kvantiserede objekter i et materiale. For eksempel forhindrer Anderson-lokalisering udbredelsen af kvantetilstande i uordnede medier. Da en kvantetilstand opfører sig som en bølge, er den sårbar over for interferens og ydre påvirkninger. Et andet problem er kvante Zeno-effekten , hvis essens er, at en ustabil kvantetilstand aldrig ændrer sig, hvis den kontinuerligt måles/observeres, da den konstant ændrer den og forhindrer den i at kollapse [11] [12] .
Samspillet mellem kvantetilstande og miljøet fungerer som en slags måling eller observation. Den klassiske interaktion med omgivelserne ændrer kvantetilstandens bølgelignende natur i en sådan grad, at den interfererer med Andersons lokalisering, som et resultat af hvilken kvante-Zeno-effekten øger kvantetilstandens levetid, hvilket tillader den at nå reaktionscenter [11] .
Problemet med at finde et reaktionscenter i en proteinmatrix svarer formelt til mange problemer inden for computerteknologi. Kortlægning af computerproblemer til at søge efter excitationsenergien i reaktionscentret kan gøre lysindsamling til en ny type computerenhed, hvilket øger designhastigheden ved stuetemperatur og opnår 100-1000 gange effektiviteten [11] .