Teplotní závislosti optických spekter fotosyntetických agregátů

• Thesis title in Czech: Teplotní závislosti optických spekter fotosyntetických agregátů
• Thesis title in English: Temperature dependences of the optical spectra of photosynthetic aggregates
• Academic year of topic announcement: 2015/2016
• Thesis type: diploma thesis
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: doc. Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.

Guidelines

1. Prostudovat odbornou literaturu k tématu a získat přehled o teorii fotosyntetických systémů
2. Sepsat podrobnou rešerši
3. Osvojit si teoretický popis molekulárních agregátů v interakci s okolím
4. Zvládnout metody teoretického popisu nelineárních optických experimentů a jejich interpretace
5. Osvojit si práci se simulačním softwarem a aktivně se podílet na jeho rozšíření
6. Simulovat optická spektra vybraných fotosyntetických systémů pro různé teploty
7. Provést diskusi vhodnosti modelů se stavy s přenosem náboje k popisu fotosyntetických systémů

References

[1] H. van Amerongen, L. Valkunas and R. van Grondelle, Photosynthetic Excitons, World Scietific, Singapore, 2000
[2] S. Mukamel, Principles of Nonlinear Spectroscopy, Oxford University Press, Oxford, 1995
[3] V. May and O. Kuhn, Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, Wiley-VCH, Berlin, 2000
[4] R. E. Blankenship, Molecular Mechanisms of Photosynthesis, Blackwell Science, Oxford, 2002
[5] T. Renger, Phys. Rev. Lett., 93 (2004) 188101
[6] T. Mancal, L. Valkunas and G. R. Fleming, Chem. Phys. Lett., 432 (2006) 301
[7] D. Zigmantas, E. L. Read, T. Mancal, T. Brixner, A. T. Gardiner , R. J. Cogdell and G. R. Fleming , P. Natl. Ac. Sci., 103 (2006) 12672
a další původní literatura

Preliminary scope of work

Při pohledu z naší makroskopické perspektivy směrem do nanosvěta se v živých organizmech setkáváme se stále se zmenšujícími stavebními bloky, jejichž vzájemné interakce umožňují značnou strukturní rozmanitost a pružnost v adaptaci na vnější podněty. Odhlédneme-li od samotných atomů, pak nejnižší úroveň této organizace představují malé molekuly, jako jsou baze DNA, chlorofyly, karotenoidy a další, které plní různé funkce v závislosti na vzájemných interakcích a interakcích s proteiny, které je obklopují. Ve fotosyntéze absorbují molekuly chlorofylu světelnou energii na různých vlnových délkách, přenášejí ji do reakčního centra, kde pak více či méně stejné typy molekuly poskytují elektron pro přeměnu excitační energie na chemickou. Ta pak pohání fotosyntetickou mašinérii. Zásadní roli při zkoumání primárních procesů přenosu energie ve fotosyntéze hraje nelinární optická spektroskopie. Popis spektroskopických experimentů na molekulárních agregátech je do značné míry možný díky takzvanému excitonovému modelu. Ten umožňuje vysvětlit lineární i nelineární optická spektra chlorofylových agregátů a rozmanitost funkcí, které na sebe chlorofyl bere, na základě jejich struktury a relativně jednoduchého modelu interakce jednotlivých chlorofylů s proteinovým okolím. Teplotní závislosti absorpčních spekter některých fotosyntetických systémů obsahujících těsné komplexy chlorofylů, zejména zvláštní posuny některých absorpčních pásů, však představují pro tento model značný problém. Řešením se zdá být obohacení stávajícího modelu o stavy s přenosem náboje mezi chlorofyly v těsných komplexech a systematické započtení renormalizací elektronových stavů v důsledku silné interakce mezi stavy s přenosem náboje a proteinovým okolím. Úkolem této diplomové práce bude aplikovat příslušnou teorii na popis lineárních a nelinárních optických spekter vybraných fotosyntetických agregátů, provést jejich simulace poskytnutým softwarem a rozšířit simulační program, kde třeba, ve spolupráci s vedoucím práce. Řešitel bude systematicky uveden do teorie optické spektroskopie, dynamiky otevřených kvantových systémů a příslušných partií pokročilé statistické fyziky a kvantové mechaniky. Předpokládá se, že řešitel absolvoval kurs kvantové mechaniky a statistické fyziky, kvantová teorie molekul je výhodou. Řešitel by měl být schopen programovat v některém programovacím jazyce - práce na simulačním programu vyžaduje Fortran 95 a Tcl. Pro čtení původní literatury je třeba alespoň pasivní znalost angličtiny. Předpokládá se, že výsledky této práce budou publikovány v odborném časopise. Zájemci o bližší informace nechť mě kontaktují na: [e-mail]

Preliminary scope of work in English

Looking from our macroscopic perspective towards the nanoworld, the living organisms display smaller and smaller building blocks, interaction of which enables large structural diversity and flexibility in adaptations to the outside conditions. Besides atoms, the lowest level of this organization is represented by small molecules, such as DNA bases, chlorophylls, carotenoids etc. that have different functions depending on their mutual interactions and interactions with proteins that surround them. In photosynthesis, the chlorophyll molecules absorb light energy on different wavelengths, transport it into the reaction center, where, more or less, the same type of molecules supply an electron for conversion of the excitation energy into its chemical form. This energy then drives the photosynthetic machinery. A fundamental role in investigation of the primary processes of energy transfer in photosynthesis is played by non-linear optical spectroscopy. To a great extend, the description of the non-linear optical experiments on molecular aggregates is made possible by the so-called excitonic model. The excitonic model enables to explain linear and non-linear optical spectra of chlorophyll aggregates and the variety of functions that chlorophylls play, based on the aggregate structure and relatively simple model of chlorophyll interactions with its protein environment. However, temperature dependencies of the absorption spectra of some photosynthetic systems containing tight chlorophyll complexes, mainly puzzling shifts of absorption bands, represent a problem for excitonic model. The solution seems to be an extension of the current model by charge transfer states between chlorophylls in the complexes and systematic treatment of the renormalization of electronic states by a strong interaction between charge transfer states and the protein environment. The goal of this work will be to apply the above theory to a description of linear and non-linear optical spectra of selected photosynthetic aggregates, to perform their simulations by a provided software and extend the simulation program where necessary, in the collaboration with the supervisor. The student will be provided with a systematic introduction into the theory of optical spectroscopy, dynamics of open quantum systems and corresponding parts of advanced statistical physics and quantum mechanics. Basic course of quantum mechanics and statistical physics is assumed, quantum theory of molecules is an advantage. The student should be capable of programming in some programming language - the work on the simulation program requires Fortran 95 and Tcl. For reading of the original literature, at least passive knowledge of English is necessary. It is assumed that the results of this work will be published in a scientific journal. For more information contact me at: [e-mail]