Комплекс Фенны — Мэттьюса — Олсона

Комплекс Фенна-Мэтьюса-Ольсона (ФМО) представляет собой первый водорастворимый пигмент-белкового комплекса, трёхмерная структура которого было получена методом рентгеновской спектроскопии. Это светособирающий комплекс зелёных серных бактерий, который опосредует передачу энергии возбуждения от хлоросом к встроенным в мембрану бактериальным реакционным центрам (РЦ). По своему строению - это тример. Каждый из трех мономеров содержит семь молекул бактериохлорофилла а. Они связаны через белковый скэффолд, который образует координационную связь с центральным атомом магния либо через аминокислотный остаток (главным образом гистидин) или водные мостики (только один бактериохлорофилл на каждом мономере).

Поскольку структура комплекса известна, возможным оказалось рассчитать на основе этой информации оптические спектры для сравнения с экспериментальными данными. В простейшем случае в расчёт принимается только экситонное сопряжение бактериохлорофиллов. Более реалистичные модели учитывают и пигмент-белковое сопряжение. Важным свойством является локальный переход энергии (позиционная энергия) бактериохлорофиллов, индивидуальное для каждого в силу белкового окружения. Именно позиционная энергия бактериохлорофиллов определяет направление энергетического потока.

Удалось получить некоторую информацию о структуре супер комплекса ФМО-РЦ, которая была получена с помощью электронной микроскопии и спектров линейного дихроизма, измеренных на тримерах  ФМО и комплексе ФМО-РЦ. Из этих измерений стало понятно, что возможны две ориентации ФМО относительно реакционного центра (РЦ). Ориентация в которой бактериохлорофиллы 3 и 4 расположены близко к РЦ, а бактериохлорофиллы 1 и 6 (следуя оригинальной нумерации Фенна и Мэтьюса) смотрят в сторону хлоросом способствует эффективной передачи энергии.

Тестовый объект

ФМО-комплекс представляет простейших из известных в природе светособирающих комплексов и, следовательно, является подходящим тест-объектом для разработки методов, которые потом могут быть перенесены на более сложные системы, такие как фотосистема I. ФМО проявляет на удивление долгую квантовую когерентность, которая играет важную роль в процессах передачи энергии.

Сбор квантов света

Сбор света в процессе фотосинтеза использует как классические так и квантово-механические процессы и обладает КПД почти 100 %. В классических процессах, что бы получить энергию света фотон должен достичь реакционных центров до того, как произойдёт рассеивание  энергии, то есть менее чем за одну наносекунду. Однако при фотосинтезе такого не происходит. Поскольку энергия может существовать во множестве состояний суперпозиции, она может путешествовать всеми маршрутами внутри материала одновременно. Когда фотон находит правильное назначение, суперпозиция схлопывается, делая энергию доступной. Однако это не чисто квантовый процесс, поскольку некоторые квантовые процессы замедляют движения квантованных объектов внутри материала. Например, локализация Андерсона предотвращает распространение квантовых состояний в неупорядоченных средах. Поскольку квантовое состояние ведет себя как волна, оно уязвимо для вмешательства и внешних воздействий. Еще одной проблемой является квантовый эффект Зенона, суть которого заключаться в том, что нестабильное квантовое состояние никогда не меняется, если он непрерывно измерять/наблюдать, поскольку постоянно изменяет его, предохраняя от схлопывания.

Взаимодействие между квантовыми состояниями и окружающей средой служит своего рода измерением. Классическое взаимодействие с окружающей средой изменяет волнообразный характер квантового состояния настолько, что это мешает локализации Андерсона, в то время как квантовый эффект Зенона увеличивает время жизни квантового состояния, что позволяет ему достичь реакционного центра.

Вычислительная техника

Проблема поиска реакционного центра в белковой матрице формально эквивалентна многим проблемам вычислительной техники. Отображение вычислительных задач на поиск энергией возбуждения реакционного центра может сделать сбор света новым типом вычислительного устройства, повышение расчетной скорости при комнатной температуре, получая 100-1000 кратной эффективность.