Engineering Excitonic and Charge-Transfer States in Bio-Inspired Chromophore-Protein Assemblies

Abstract

La fotosíntesi, un procés vital per a la vida a la Terra, converteix l'energia solar en energia química a través de complexos de proteïnes-pigments. Comprendre la intricada interacció entre la deslocalització d'excitons i els estats de transferència de càrrega (CT) dins d'aquests complexos és crucial per al desenvolupament de dispositius bioinspirats de conversió d'energia solar. La separació de càrregues fotosintètica implica factors estructurals, electrònics i vibracionals, i els coneixements obtinguts del Fotosistema II han revelat principis de disseny clau per a sistemes artificials eficients: la barreja d'excitons i estats de CT, les vibracions ressonants, una matriu proteica intel·ligent i un equilibri entre la coherència i la decoherència. Aquesta tesi explora el desenvolupament de sistemes artificials utilitzant bastides proteiques dissenyades de novo per manipular les propietats dels cromòfors. Els estats excitònics i de CT eficients requereixen una disposició acurada dels cromòfors i la seva interacció amb les matrius proteiques. L'estudi presenta un enfocament sistemàtic per desenvolupar ensamblatges de cromòfors-proteïnes per a la fotosíntesi artificial, utilitzant Zinc-feoforbida-a i proteïnes maquette.

La fotosíntesis, un proceso vital para la vida en la Tierra, convierte la energía solar en energía química a través de complejos pigmento-proteína. Comprender la intrincada interacción entre la deslocalización de excitones y los estados de transferencia de carga (TC) dentro de estos complejos es crucial para desarrollar dispositivos bioinspirados de conversión de energía solar. En la separación fotosintética de cargas intervienen factores estructurales, electrónicos y vibracionales, y los conocimientos sobre el Fotosistema II han revelado principios de diseño clave para sistemas artificiales eficientes: mezcla de excitones y estados de TC, vibraciones resonantes, una matriz proteica inteligente y Spanish un equilibrio entre coherencia y decoherencia. Esta tesis explora el desarrollo de sistemas artificiales utilizando andamiajes proteínicos diseñados de novo para manipular las propiedades de los cromóforos. Los estados excitónicos y CT eficientes requieren una cuidadosa disposición de los cromóforos y su interacción con las matrices proteicas. El estudio presenta un enfoque sistemático para desarrollar ensamblajes cromóforo-proteína para fotosíntesis artificial, utilizando proteínas Zinc-pheophorbide-a y maqueta.

Photosynthesis, a vital process for life on Earth, converts solar energy into chemical energy through pigment-protein complexes. Understanding the intricate interplay between exciton delocalization and charge transfer (CT) states within these complexes is crucial for developing bioinspired solar energy conversion devices. Photosynthetic charge separation involves structural, electronic, and vibrational factors, and insights from Photosystem II have revealed key design principles for efficient artificial systems: mixing of excitons and CT states, resonant vibrations, a smart protein matrix, and a balance between coherence and decoherence. English This thesis explores the development of artificial systems using de novo designed protein scaffolds to manipulate chromophore properties. Efficient excitonic and CT states require careful chromophore arrangement and interplay with protein matrices. The study presents a systematic approach to develop chromophore-protein assemblies for artificial photosynthesis, utilizing Zinc-pheophorbide-a and maquette proteins.