양자 시각화 기술을 통해 광합성에 대한 통찰력 제공

2023년 6월 6일

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일리노이 대학교 그레인저 공과대학

양자 역학을 따르는 시스템은 시각화하기가 매우 어렵습니다. 그러나 일리노이 대학교 어바나-샴페인(Urban-Champaign) 대학의 연구원들은 일관성 맵(coherence map)이라는 읽기 쉬운 다이어그램에 양자 특징을 표시하는 일러스트레이션 기술을 개발했습니다. 연구자들은 이 지도를 사용하여 식물과 일부 박테리아가 햇빛을 사용하여 이산화탄소와 물을 음식으로 전환하는 과정인 광합성의 기초가 되는 양자 메커니즘을 연구했습니다.

일리노이대학교 화학과 교수이자 프로젝트 책임자인 낸시 마크리(Nancy Makri)는 “얼마나 단순한 일관성 맵인지 믿기 어려웠다”고 말했다. "광합성과 같은 복잡한 과정의 일부로서 비직관적인 양자 현상을 다룰 때 이론적 계산을 해석하는 것은 상당히 어려울 수 있습니다. 그러나 일관성 맵은 스냅샷에서 알아야 할 모든 것을 알려줍니다."

Journal of Physical Chemistry Letters에 발표된 연구에서 Makri의 연구 그룹은 광합성 박테리아에 대한 초기 컴퓨터 시뮬레이션을 새로운 방식으로 분석하기 위해 일관성 맵을 적용했습니다. 연구진은 햇빛을 "수집"하고 이를 흡수하여 그 에너지를 이산화탄소와 물이 처리되는 화학 반응 장소로 전달하는 분자 복합체를 연구했습니다. 일관성 맵은 에너지가 반응 부위로 어떻게 전달되었는지 명확하게 표시했을 뿐만 아니라 전달에 대한 명확한 양자적 설명을 제공했습니다.

Makri는 일관성 맵은 시스템의 양자 동작에 대한 모든 정보를 포함하는 수학적 객체인 감소된 밀도 매트릭스를 보여주는 것이라고 설명했습니다. "적당한 크기의 시스템이라 할지라도 감소된 밀도 매트릭스는 상당히 커지며 모든 구성 요소가 상호 연관되어 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. "분석하기에는 정보가 너무 많습니다. 하지만 일관성 맵을 사용하면 사진에서 한 눈에 튀어나오는 정보가 엄청나게 많습니다."

Makri에 따르면 이 정보를 통해 연구원들은 박테리아 빛 수확 복합체의 에너지 전달 경로를 "매우 투명하게" 식별할 수 있었습니다. 복합체는 분자의 외부 고리와 내부 고리를 포함합니다. 외부 링은 햇빛을 흡수하고 내부 링에는 화학 반응 부위가 포함되어 있습니다. Makri 그룹은 두 개의 고리가 분자 내 원자의 운동에 의해 연결되어 있음을 보여 주었으며, 일관성 지도는 이러한 운동이 외부 고리에서 내부 고리로 에너지를 집중시키는 것을 명확하게 보여줍니다.

Makri는 "앞으로 일관성 맵은 양자 역학을 기반으로 한 이론적 분석에 귀중한 도구가 될 것이라고 믿습니다."라고 말했습니다. "이 연구에서 그들은 생물학의 가장 큰 미스터리 중 하나인 광합성 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공했습니다."

Makri의 연구 그룹은 Science Advances에 광합성 박테리아의 에너지 전달 메커니즘에 대한 시뮬레이션을 보고했으며, The Journal of Physical Chemistry B에 일관성 맵을 소개했습니다.

추가 정보: Reshmi Dani 외, 박테리아 빛 수확 복합체 2의 간섭성 맵 및 여기 에너지 흐름, The Journal of Physical Chemistry Letters(2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00670

저널 정보:물리화학저널