Atomistic study of energy funneling in the light-harvesting complex of green sulfur bacteria

Journal of the American Chemical Society

Volumn 136, Issue 5, 2014, Pages 2048-2057

  Huh, Joonsuk ^a   Saikin, Semion K ^a   Brookes, Jennifer C ^a,b   Valleau, Stéphanie ^a   Fujita, Takatoshi ^a   Aspuru Guzik, Alán ^a  

^a HARVARD UNIVERSITY   (United States)

^b UNIVERSITY COLLEGE LONDON   (United Kingdom)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

DIFFERENT LENGTH SCALE; GREEN SULFUR BACTERIA; LIGHT-HARVESTING COMPLEX; MOLECULAR EXCITATIONS; MULTIPLE TIME SCALE; OPTICAL EXPERIMENTS; PHOTOSYNTHETIC BACTERIAS; PHOTOTROPHIC ORGANISMS;

BACTERIA; ENERGY TRANSFER; MOLECULES; ORGANIC POLYMERS;

HARVESTING;

ARTICLE; CHLOROBI; ENERGY; ENERGY TRANSFER; LIGHT HARVESTING SYSTEM; NONHUMAN; PHOTOTROPHIC BACTERIUM; POPULATION DYNAMICS; TEMPERATURE DEPENDENCE; THEORETICAL STUDY;

CHLOROBI; ENERGY TRANSFER; KINETICS; LIGHT-HARVESTING PROTEIN COMPLEXES; MODELS, MOLECULAR; ORGANELLES; PHOTOSYNTHESIS;

EID: 84893802658     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja412035q     Document Type: Article

References (101)

1. Blankenship, R. E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis; World Scientific: London, 2002.
2. Oostergetel, G. T.; van Amerongen, H.; Boekema, E. J. Photosynth. Res. 2010, 104, 245-55
3. Canfield, D.; Thamdrup, B.; Kristensen, E. Aquatic Geomicrobiology; Elsevier: London, 2005.
4. Overmann, J. In The Prokaryotes. Vol. 7: Proteobacteria: Delta, Epsilon Subclass; Dworkin, M.; Falkow, S.; Rosenberg, E.; Schleifer, K.-H.; Stackebrandt, E., Eds.; Springer: New York, 2006; Chapter: The Family Chlorobiaceae, pp 359-378.
5. Feng, X.; Tang, K.-H.; Blankenship, R. E.; Tang, Y. J. J. Biol. Chem. 2010, 285, 39544-50
6. Overmann, J.; Cypionka, H.; Pfennig, N. Limnol. Oceanogr. 1992, 37, 150-155
7. Beatty, J. T.; Overmann, J.; Lince, M. T.; Manske, A. K.; Lang, A. S.; Blankenship, R. E.; Van Dover, C. L.; Martinson, T. A.; Plumley, F. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 9306-10
8. Manske, A. K.; Glaeser, J.; Kuypers, M. M. M.; Overmann, J. Appl. Environ. Microbiol. 2005, 71, 8049
9. Engel, G.; Calhoun, T.; Read, E.; Ahn, T.; Mancal, T.; Cheng, Y.; Blankenship, R.; Fleming, G. Nature 2007, 446, 782-786
10. Scholes, G. D.; Fleming, G. R.; Olaya-Castro, A.; van Grondelle, R. Nat. Chem. 2011, 3, 763-74
11. Borisov, A. Biophysics 2012, 57, 562-564
12. Lloyd, S.; Mohseni, M. New J. Phys. 2010, 12, 075020
13. Hoyer, S.; Sarovar, M.; Birgitta Whaley, K. New J. Phys. 2010, 12, 065041
14. Abasto, D. F.; Mohseni, M.; Lloyd, S.; Zanardi, P. Philos. Trans. R. Soc., A 2013, 370, 3750-70
15. Kassal, I.; Yuen-Zhou, J.; Rahimi-Keshari, S. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 362-367
16. Savikhin, S.; van Noort, P. I.; Zhu, Y.; Lin, S.; Blankenship, R. E.; Struve, W. S. Chem. Phys. 1995, 194, 245-258
17. Psencík, J.; Polvka, T.; Dian, J.; Kudrna, J.; Malý, P. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 4392-4398
18. Prokhorenko, V. I.; Steensgaard, D. B.; Holzwarth, A. R. Biophys. J. 2000, 79, 2105-20
19. Psencík, J.; Ma, Y.-Z.; Arellano, J. B.; Hála, J.; Gillbro, T. Biophys. J. 2003, 84, 1161-79
20. Martiskainen, J.; Linnanto, J.; Aumanen, V.; Myllyperkiö, P.; Korppi-Tommola, J. Photochem. Photobiol. 2012, 88, 675-683
21. Fetisova, Z.; Freiberg, A.; Mauring, K.; Novoderezhkin, V.; Taisova, A.; Timpmann, K. Biophys. J. 1996, 71, 995-1010
22. Shibata, Y.; Saga, Y.; Tamiaki, H.; Itoh, S. Biochemistry 2007, 46, 7062-8
23. Martiskainen, J.; Linnanto, J.; Kananavičius, R.; Lehtovuori, V.; Korppi-Tommola, J. Chem. Phys. Lett. 2009, 477, 216-220
24. Mukai, K.; Abe, S.; Sumi, H. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6096-6102
25. Jang, S.; Newton, M. D.; Silbey, R. J. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6807-14
26. Mohseni, M.; Rebentrost, P.; Lloyd, S.; Aspuru-Guzik, A. J. Chem. Phys. 2008, 129, 174106
27. Ishizaki, A.; Fleming, G. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 17255-60
28. Strümpfer, J.; Schulten, K. J. Chem. Phys. 2009, 131, 225101
29. Ritschel, G.; Roden, J.; Strunz, W. T.; Aspuru-Guzik, A.; Eisfeld, A. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 2912-2917
30. Shim, S.; Rebentrost, P.; Valleau, S.; Aspuru-Guzik, A. Biophys. J. 2012, 102, 649-60
31. Kreisbeck, C.; Kramer, T. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2828-2833
32. Kim, H. W.; Kelly, A.; Park, J. W.; Rhee, Y. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11640-51
33. Celardo, G. L.; Borgonovi, F.; Merkli, M.; Tsifrinovich, V. I.; Berman, G. P. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 22105-22111
34. Christensson, N.; Kauffmann, H. F.; Pullerits, T.; Mančal, T. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 7449-54
35. Chenu, A.; Christensson, N.; Kauffmann, H. F.; Mančal, T. Sci. Rep. 2013, 3, 2029
36. Damjanovič, A.; Kosztin, I.; Kleinekathöfer, U.; Schulten, K. Phys. Rev. E 2002, 65, 1-24
37. Olbrich, C.; Kleinekathöfer, U. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 12427-37
38. Hu, X.; Ritz, T.; Damjanovic, A.; Schulten, K. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 3854-3871
39. Sener, M. K.; Olsen, J. D.; Hunter, C. N.; Schulten, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 15723-8
40. Olaya-Castro, A.; Lee, C.; Olsen, F.; Johnson, N. Phys. Rev. B 2008, 78, 085115
41. Ringsmuth, A. K.; Milburn, G. J.; Stace, T. M. Nat. Phys. 2012, 8, 562-567
42. Dostál, J.; Mančal, T.; Augulis, R.; Vácha, F.; Pšenčk, J.; Zigmantas, D. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11611-7
43. Cao, J.; Silbey, R. J. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 13825-38
44. Caruso, F.; Chin, A. W.; Datta, A.; Huelga, S. F.; Plenio, M. B. J. Chem. Phys. 2009, 131, 105106
45. Bennett, D. I. G.; Amarnath, K.; Fleming, G. R. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9164-9173
46. Pedersen, M. O.; Linnanto, J.; Frigaard, N.-U.; Nielsen, N. C.; Miller, M. Photosynth. Res. 2010, 104, 233-43
47. Olson, J. M. Photosynth. Res. 2004, 80, 181-187
48. Föster, T. Ann. Phys. 1948, 437, 55-75
49. May, V.; Kühn, O. Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, 3 rd ed.; Wiley-VCH: New York, 2011.
50. Zimanyi, E. N.; Silbey, R. J. Philos. Trans. R. Soc., A 2012, 370, 3620-37
51. Frigaard, N.-U.; Chew, A. G. M.; Li, H.; Maresca, J. A.; Bryant, D. A. Photosynth. Res. 2003, 78, 93-117
52. Holzwarth, A. R.; Schaffner, K. Photosynth. Res. 1994, 41, 225-233
53. Frese, R.; Oberheide, U.; Stokkum, I. V.; Grondelle, R. V.; Foidl, M.; Amerongen, H. V. Photosynth. Res. 1997, 54, 115-126
54. Psencík, J.; Ikonen, T. P.; Laurinmäki, P.; Merckel, M. C.; Butcher, S. J.; Serimaa, R. E.; Tuma, R. Biophys. J. 2004, 87, 1165-1172
55. Linnanto, J. M.; Korppi-Tommola, J. E. I. Photosynth. Res. 2008, 96, 227-45
56. Ganapathy, S.; Oostergetel, G. T.; Wawrzyniak, P. K.; Reus, M.; Gomez Maqueo Chew, A.; Buda, F.; Boekema, E. J.; Bryant, D. A.; Holzwarth, A. R.; de Groot, H. J. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 8525-30
57. Ganapathy, S.; Oostergetel, G. T.; Reus, M.; Tsukatani, Y.; Gomez Maqueo Chew, A.; Buda, F.; Bryant, D. A.; Holzwarth, A. R.; de Groot, H. J. Biochemistry 2012, 51, 4488-98
58. Tang, J. K.-H.; Saikin, S. K.; Pingali, S. V.; Enriquez, M. M.; Huh, J.; Frank, H. A.; Urban, V. S.; Aspuru-Guzik, A. Biophys. J. 2013, 105, 1346-1356
59. Tian, Y.; Camacho, R.; Thomsson, D.; Reus, M.; Holzwarth, A. R.; Scheblykin, I. G. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 17192-9
60. Pedersen, M. O. S.; Underhaug, J.; Dittmer, J.; Miller, M.; Nielsen, N. C. FEBS Lett. 2008, 582, 2869-74
61. Phillips, J.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, R.; Kale, L.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781-1802
62. Hornak, V.; Abel, R.; Okur, A.; Strockbine, B.; Roitberg, A.; Simmerling, C. Proteins 2006, 65, 712-25
63. Blankenship, R. E.; Madigan, M. T.; Bauer, C. E. Anoxygenic Photosynthetic Bacteria; Kluwer Academic Publishers: New York, 1995.
64. Tronrud, D. E.; Wen, J.; Gay, L.; Blankenship, R. E. Photosynth. Res. 2009, 100, 79-87
65. Wen, J.; Zhang, H.; Gross, M. L.; Blankenship, R. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 6134-9
66. Schmidt am Busch, M.; Müh, F.; El-Amine Madjet, M.; Renger, T. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 93-98
67. Adolphs, J.; Renger, T. Biophys. J. 2006, 91, 2778-97
68. Milder, M. T. W.; Brüggemann, B.; van Grondelle, R.; Herek, J. L. Photosynth. Res. 2010, 104, 257-74
69. Francke, C.; Amesz, J. Photosynth. Res. 1997, 137-146
70. Fujita, T.; Brookes, J. C.; Saikin, S. K.; Aspuru-Guzik, A. J Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2357-2361
71. Louisell, W. H. Quantum Statistical Properties of Radiation; John Wiley & Sons: New York, 1973.
72. Breuer, H. P.; Petruccione, F. The Theory of Open Quantum Systems; Oxford University: Oxford, 2006.
73. Rebentrost, P.; Chakraborty, R.; Aspuru-Guzik, A. J. Chem. Phys. 2009, 131, 184102
74. Rebentrost, P.; Mohseni, M.; Aspuru-Guzik, A. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 9942-7
75. Fujita, T.; Huh, J.; Saikin, S. K.; Brookes, J. C.; Aspuru-Guzik, A. arXiv:1304.4902v2, 2013.
76. Ishizaki, A.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 2009, 130, 234110
77. Valleau, S.; Eisfeld, A.; Aspuru-Guzik, A. J. Chem. Phys. 2012, 137, 224103
78. Zhang, W. M.; Meier, T.; Chernyak, V.; Mukamel, S. J. Chem. Phys. 1998, 108, 7763
79. Pullerits, T. J. Chin. Chem. Soc. 2000, 47, 773-784
80. Yang, M.; Fleming, G. R. Chem. Phys. 2002, 275, 355-372
81. Novoderezhkin, V.; Salverda, J. M.; Amerongen, H. V. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 1893-1912
82. Novoderezhkin, V. I.; Palacios, M. A.; Amerongen, H. V. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10363-10375
83. Ishizaki, A.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 2009, 130, 234111
84. Kreisbeck, C.; Kramer, T.; Rodrguez, M.; Hein, B. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2166-2174
85. Zhu, J.; Kais, S.; Rebentrost, P.; Aspuru-Guzik, A. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 1531-7
86. Huo, P.; Coker, D. F. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 825-833
87. Ritschel, G.; Roden, J.; Strunz, W. T.; Eisfeld, A. New J. Phys. 2011, 13, 113034
88. Mccutcheon, D. P. S.; Nazir, A. J. Chem. Phys. 2011, 135, 114501
89. Mühlbacher, L.; Kleinekathöfer, U. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 3900-6
90. Pachón, L. A.; Brumer, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 10094-108
91. Brumer, P.; Shapiro, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 19575-8
92. Prokhorenko, V. I.; Steensgaard, D. B.; Holzwarth, A. R. Biophys. J. 2003, 85, 3173-86
93. Jang, S.; Newton, M.; Silbey, R. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 218301-4
94. Roden, J.; Schulz, G.; Eisfeld, A.; Briggs, J. J. Chem. Phys. 2009, 131, 044909
95. Causgrove, T. P.; Brune, D. C.; Blankenship, R. E. J. Photochem. Photobiol., B: Biol. 1992, 15, 171-9
96. Strümpfer, J.; Sener, M.; Schulten, K. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 536-542
97. Yang, M.; Fleming, G. R. J. Chem. Phys. 2003, 119, 5614
98. Valkunas, L.; Chmeliov, J.; Trinkunas, G.; Duffy, C. D. P.; van Grondelle, R.; Ruban, A. V. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 9252-60
99. Hildner, R.; Brinks, D.; Nieder, J. B.; Cogdell, R. J.; van Hulst, N. F. Science 2013, 340, 1448-1451
100. Linnanto, J. M.; Korppi-tommola, J. E. I. J. Phys. Chem. B 2013, 117, 11144-11161
101. Rebentrost, P.; Mohseni, M.; Kassal, I.; Lloyd, S.; Aspuru-Guzik, A. New J. Phys. 2009, 11, 033003