Fenomeni di tipo quantistico possono contribuire in modo fondamentale in processi di tipo biologico? Questa domanda ha da sempre entusiasmato gli scienziati ma, solo a partire dall’ultima decade, stiamo assistendo ai passi da giganti fatti nella messa a punto di strumenti sperimentali sempre più efficienti nel rilevare dinamiche di tipo quantistico. La spettroscopia elettronica coerente bidimensionale, grazie alla sua peculiarità di dare accesso all’osservazione simultanea di fenomeni di diversa tipologia nel regime ultraveloce, si presenta come la tecnica principe nel nuovo campo della biologia quantistica. Le antenne artificiali, grazie al loro minor grado di complessità, sono sistemi modello ideali per delucidare quali siano i principi strutturali che permettono a fenomeni di tipo quantistico di sopravvivere nei loro analoghi naturali. Abbiamo studiato diversi sistemi multi-cromoforici, modello dei complessi antenna naturali, grazie all’auto-assemblaggio di sistemi coniugati pigmento-peptide. Sono state confrontate diverse tipologie di cromoforo e di componente proteica per determinare quale delle due parti costituenti avesse un ruolo cruciale nel preservare i fenomeni quantistici. Nello studio dei sistemi antenna naturali, un fattore che può complicare ulteriormente l’interpretazione dei segnali coerenti, è l’accoppiamento vibronico, il quale dà origine a componenti oscillanti che potrebbero sovrapporsi a quelle elettroniche. Per tale ragione abbiamo provveduto a condurre un’indagine dettagliata dei contributi peculiari di pigmenti isolati come la clorofilla a e la batterioclorofilla a. L’esperienza e la conoscenza maturate nello studio di sistemi antenna artificiali e di cromofori isolati hanno permesso l’interpretazione della dinamica ultraveloce di un complesso antenna naturale, la peridinin-chlorophyll-protein. Effetti di tipo quantistico possono influenzare non solo processi di tipo fotofisico, ma anche reazioni fotochimiche come, ad esempio, il trasferimento di protoni. Il tunnelling protonico, infatti, è un fenomeno di natura squisitamente quantistica e che risulta molto sensibile alle fluttuazioni della distanza tra donatore e accettore. In questo lavoro abbiamo utilizzato spettroscopia elettronica coerente bidimensionale per esplorare come il tunnelling protonico possa essere influenzato dai moti dell’intorno e, di conseguenza, come la cinetica globale della reazione possa essere velocizzata dall’accoppiamento con moti nucleari.

Coherent multidimensional electronic spectroscopy: from bioinspired to biological systems

MENEGHIN, ELENA
2017

Abstract

Fenomeni di tipo quantistico possono contribuire in modo fondamentale in processi di tipo biologico? Questa domanda ha da sempre entusiasmato gli scienziati ma, solo a partire dall’ultima decade, stiamo assistendo ai passi da giganti fatti nella messa a punto di strumenti sperimentali sempre più efficienti nel rilevare dinamiche di tipo quantistico. La spettroscopia elettronica coerente bidimensionale, grazie alla sua peculiarità di dare accesso all’osservazione simultanea di fenomeni di diversa tipologia nel regime ultraveloce, si presenta come la tecnica principe nel nuovo campo della biologia quantistica. Le antenne artificiali, grazie al loro minor grado di complessità, sono sistemi modello ideali per delucidare quali siano i principi strutturali che permettono a fenomeni di tipo quantistico di sopravvivere nei loro analoghi naturali. Abbiamo studiato diversi sistemi multi-cromoforici, modello dei complessi antenna naturali, grazie all’auto-assemblaggio di sistemi coniugati pigmento-peptide. Sono state confrontate diverse tipologie di cromoforo e di componente proteica per determinare quale delle due parti costituenti avesse un ruolo cruciale nel preservare i fenomeni quantistici. Nello studio dei sistemi antenna naturali, un fattore che può complicare ulteriormente l’interpretazione dei segnali coerenti, è l’accoppiamento vibronico, il quale dà origine a componenti oscillanti che potrebbero sovrapporsi a quelle elettroniche. Per tale ragione abbiamo provveduto a condurre un’indagine dettagliata dei contributi peculiari di pigmenti isolati come la clorofilla a e la batterioclorofilla a. L’esperienza e la conoscenza maturate nello studio di sistemi antenna artificiali e di cromofori isolati hanno permesso l’interpretazione della dinamica ultraveloce di un complesso antenna naturale, la peridinin-chlorophyll-protein. Effetti di tipo quantistico possono influenzare non solo processi di tipo fotofisico, ma anche reazioni fotochimiche come, ad esempio, il trasferimento di protoni. Il tunnelling protonico, infatti, è un fenomeno di natura squisitamente quantistica e che risulta molto sensibile alle fluttuazioni della distanza tra donatore e accettore. In questo lavoro abbiamo utilizzato spettroscopia elettronica coerente bidimensionale per esplorare come il tunnelling protonico possa essere influenzato dai moti dell’intorno e, di conseguenza, come la cinetica globale della reazione possa essere velocizzata dall’accoppiamento con moti nucleari.
31-gen-2017
Inglese
ultrafast coherent multidimensional electronic spectroscopy quantum biology biomimicking
COLLINI, ELISABETTA
POLIMENO, ANTONINO
Università degli studi di Padova
171
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14242/93768
Il codice NBN di questa tesi è URN:NBN:IT:UNIPD-93768