평형 외부의 인공 광 수확 복합체의 극저온 TEM 이미징

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 5552(2022) 이 기사 인용

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자연광 수확 복합체의 에너지 전달은 자가 조립된 초분자 구조를 통해 실험실 조건에서 탐색될 수 있습니다. 이러한 구조 중 하나는 양친매성 염료 C8S3 분자에서 발생하는데, 이 분자는 수성 매질에서 녹색 황 박테리아에서 발견되는 자연광 수확 복합체를 연상시키는 이중벽 원통형 나노튜브로 자가 조립됩니다. 본 논문에서는 미세유체 환경에서 외부 NT를 용해시켜 내부 나노튜브(NT)의 구조를 단독으로 조사하는 방법을 보고합니다. 생성된 열역학적으로 불안정한 시스템은 급속히 동결되어 용해된 분자로부터 외부 NT의 재조립을 방지하고 극저온 투과 전자 현미경(cryo-TEM)을 사용하여 이미지화되었습니다. C8S3 NT의 분자 모델링을 기반으로 한 고해상도 TEM 이미지를 시뮬레이션하여 실험적인 저온 TEM 이미지와 분자 구조를 비교했습니다. 우리는 플래시 희석 과정에서 외벽이 제거된 내부 NT가 부모 이중벽 NT와 비슷한 크기를 가짐을 발견했습니다. 더욱이, 순간 희석 후 내부 NT에서는 구조적 불균질성이 관찰되지 않았습니다. 이는 외부 NT의 재조립이 발생하기 전에 내부 NT의 기능화에 대한 흥미로운 가능성을 열어주며, 이는 다른 자가 조립 나노구조의 내부 아키텍처를 수정하기 위해 광범위하게 확장될 수 있습니다.

자연에서 강한 분자간 결합을 갖는 광수확 복합체는 여기 에너지를 반응 센터로 전달하는 것을 촉진함으로써 광합성 과정에서 중요한 역할을 합니다. 에너지 전달 과정을 더 잘 이해하기 위해 자연 시스템은 더 간단하고 제어 가능한 인공 시스템을 통해 광범위하게 모델링되었습니다3,4. 이들 중에서, 수성 환경에서 양친매성 C8S3 분자(그림 1A)로부터 자가 조립되는 이중벽 나노튜브(DWNT)는 녹색 황 박테리아에서 발견되는 클로로솜과 강한 구조적 유사성을 갖고 있기 때문에 특히 흥미롭습니다. 9, 조명이 약한 환경에서 광합성에 최적화되어 있습니다8. 일반적으로 C8S3 DWNT 시스템은 내부 및 외부 초분자 원통형 구조로 구성된 강력하게 결합된 발색단으로 구성되어 있으며(그림 1B, 왼쪽 삽입), 이는 시스템의 광학 특성에 중요한 영향을 미칩니다.

C8S3 DWNT의 순간 희석을 위한 실험 설정의 개략도. (A) 다양한 기능성 개체가 강조 표시된 양친매성 C8S3 분자(빨간색: 산소, 노란색: 황, 녹색: 염소, 회색: 탄소, 파란색: 질소)의 구조(파란색-친수성 그룹, 주황색-발색단, 회색-소수성 그룹) ). (B) 두 개의 주사기 펌프는 DWNT 용액과 메탄올-물 혼합물을 미세 유체 눈물 방울 혼합기에 공급하며, 여기서 플래시 희석 공정은 제어된 방식으로 수행됩니다. 믹서의 출구는 순간 희석된 NT의 흡수 스펙트럼이 지속적으로 모니터링되는 미세유체 유동 셀에 짧게 연결됩니다. 순간 희석된 NT는 플로우 셀 끝에서 수집되고, 극저온 TEM 스테이션에서 급속 냉동되고 극저온 TEM을 사용하여 이미지화됩니다. 삽입된 그림은 용해된 분자와 함께 DWNT 및 순간 희석된 NT의 시각적 표현(블렌더를 사용하여 렌더링됨)을 보여줍니다. 단순화를 위해 용매 분자는 표시되지 않습니다.

발색단 간의 강한 결합은 비편재화된 여기(delocalized excitation), 엑시톤(exciton)의 형성으로 이어집니다. 이들은 나노튜브(NT)를 따라 앞뒤로 이동하지만 한 NT에서 다른 NT로 이동할 수도 있습니다11. NT 사이의 혼선을 방지하기 위해 내부 NT는 순간 희석(flash-dilution)10,13이라는 프로세스, 즉 DWNT 수용액과 메탄올과 물의 혼합물을 빠르게 혼합하여 DWNT 구조에서 분리될 수 있습니다. 이는 외부 NT와 관련된 엑시톤 흡수 피크의 소멸을 기반으로 결론을 내린 것처럼 외부 NT의 선택적 용해를 허용합니다(그림 1B, 오른쪽 삽입). 내부 NT의 광학적 특성을 모델링하려면 구조에 대한 지식이 필요하지만 구조 연구(예: 극저온 TEM)는 용해된 평형 외부 NT 분자의 빠른 재조립(몇 분 이내10)으로 인해 제한됩니다.