A Fenna-Matthews-Olson komplex (FMO) a zöld kénbaktériumok fénygyűjtő komplexének integrált antennája , amely közvetíti a gerjesztési energiának a kloroszómákból a membránba ágyazott bakteriális reakcióközpontokba (RC-k) való átvitelét.
A pigment-fehérje komplexet először 1962-ben izolálta és írta le az úttörő biokémikus, John Melvin Olson (1929–2017) és asszisztense, Carol Romano. Az anyag forrása Elena Nikolaevna Kondratieva (1925-1995) szovjet mikrobiológus [2] által biztosított baktériumkultúra volt .
Az FMO lett az első pigment-fehérje komplex, amelynek háromdimenziós szerkezetét röntgenspektroszkópiával írták le . A komplexum nevét a felfedező John Olson, valamint Roger Fenna (szül. 1947) és Brian Matthews (sz. 1938) krisztallográfusokról kapta [3] .
Vízoldható pigment - fehérje komplexek trimere. A három monomer mindegyike 7 bakterioklorofill a molekulát tartalmaz . Egy fehérjevázon keresztül kapcsolódnak össze, amely koordinációs kötést képez a központi magnéziumatommal, akár aminosav-maradékon (főleg hisztidin ), akár vízhidak révén (minden monomeren csak egy bakterioklorofill).
Mivel a komplex szerkezete ismert, lehetségesnek bizonyult ezen információk alapján optikai spektrumok kiszámítása a kísérleti adatokkal való összehasonlításhoz [4] [5] . A legegyszerűbb esetben csak a bakterioklorofillok exciton konjugációját vesszük figyelembe [6] . A valósághűbb modellek figyelembe veszik a pigment-fehérje konjugációt is [7] . Fontos tulajdonsága a bakterioklorofillok lokális energiaátvitele (pozíciós energiája), amely fehérjekörnyezetéből adódóan minden pigmentmolekulánál egyedi. A bakterioklorofillok helyzeti energiája határozza meg az energiaáramlás irányát.
Az FMO-RC szuperkomplex szerkezetéről sikerült némi információt szerezni, amelyet elektronmikroszkóppal [8] [9] , valamint FMO trimereken és az FMO-RC komplexen mért lineáris dikroizmus spektrumokkal kaptunk. Ezekből a mérésekből világossá vált, hogy az FMO-nak a reakcióközponthoz (RC) képest két tájolása lehetséges. Az a tájolás, amelyben a 3. és 4. bakterioklorofill az RC közelében helyezkedik el, az 1. és 6. bakterioklorofill pedig (Fenna és Matthews eredeti számozását követve) a kloroszómák felé néz, elősegíti a hatékony energiaátvitelt [10] .
A PMO komplex a természetben ismert legegyszerűbb fénygyűjtő komplexumot képviseli, ezért alkalmas tesztobjektum olyan módszerek kifejlesztésére, amelyek azután átvihetők bonyolultabb rendszerekre, mint például a fotorendszer I. Az FMO meglepően hosszú kvantumkoherenciát mutat , ami fontos szerepet játszik az energiaátviteli folyamatokban [1] .
A fotoszintézis során a fénygyűjtés klasszikus és kvantummechanikai eljárásokat is alkalmaz, és hatásfoka közel 100%. A klasszikus eljárásokban a fényenergia befogadásához a fotonnak az energia disszipációja előtt el kell érnie a reakcióközpontokat, vagyis kevesebb, mint egy nanoszekundum alatt. Ez azonban nem történik meg a fotoszintézis során. Mivel az energia sok szuperpozíciós állapotban létezhet, egy anyagon belül minden útvonalat bejárhat egyszerre. Amikor a foton megtalálja a megfelelő célt, a szuperpozíció összeomlik, így elérhetővé válik az energia. Ez azonban nem pusztán kvantumfolyamat, mivel egyes kvantumfolyamatok lelassítják a kvantált objektumok mozgását az anyagon belül. Például az Anderson lokalizáció megakadályozza a kvantumállapotok terjedését rendezetlen közegben. Mivel a kvantumállapot hullámként viselkedik, érzékeny az interferenciára és a külső hatásokra. További probléma a kvantum-Zéno-effektus , melynek lényege, hogy egy instabil kvantumállapot soha nem változik, ha folyamatosan mérjük/megfigyeljük, hiszen folyamatosan változtatja, megakadályozva az összeomlást [11] [12] .
A kvantumállapotok és a környezet kölcsönhatása egyfajta mérésként vagy megfigyelésként szolgál. A környezettel való klasszikus kölcsönhatás olyan mértékben megváltoztatja a kvantumállapot hullámszerűségét, hogy az Anderson lokalizációját zavarja, aminek következtében a kvantum-Zéno-effektus megnöveli a kvantumállapot élettartamát, ami lehetővé teszi, hogy elérje a kvantumállapotot. reakcióközpont [11] .
A fehérjemátrixban lévő reakcióközpont megtalálásának problémája formálisan egyenértékű a számítógépes technológia számos problémájával. A számítási problémák leképezésével a reakcióközpont gerjesztési energiájának keresésére a fénygyűjtés egy új típusú számítástechnikai eszközzé válhat, amely szobahőmérsékleten növeli a tervezési sebességet, és 100-1000-szeres hatásfokot ér el [11] .