Imaging TEM criogenico di complessi di raccolta della luce artificiale fuori equilibrio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5552 (2022) Citare questo articolo

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Il trasporto di energia nei complessi naturali di raccolta della luce può essere esplorato in condizioni di laboratorio tramite strutture supramolecolari autoassemblate. Una di queste strutture deriva dalle molecole di colorante anfifilico C8S3, che si autoassemblano in un mezzo acquoso in un nanotubo cilindrico a doppia parete che ricorda i complessi naturali di raccolta della luce presenti nei batteri dello zolfo verde. In questo articolo, riportiamo un modo per studiare la struttura dei nanotubi interni (NT) da soli sciogliendo i NT esterni in un ambiente microfluidico. Il sistema termodinamicamente instabile risultante è stato rapidamente congelato, impedendo il riassemblaggio dell'NT esterno dalle molecole disciolte, e ripreso utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione criogenica (cryo-TEM). Le immagini crio-TEM sperimentali e la struttura molecolare sono state confrontate simulando immagini TEM ad alta risoluzione, basate sulla modellazione molecolare di NT C8S3. Abbiamo scoperto che i NT interni con le pareti esterne rimosse durante il processo di diluizione flash avevano dimensioni simili ai NT genitori a doppia parete. Inoltre, non è stata osservata alcuna disomogeneità strutturale nel NT interno dopo la diluizione flash. Ciò apre interessanti possibilità per la funzionalizzazione dei NT interni prima che avvenga il riassemblaggio dei NT esterni, che può essere ampiamente esteso per modificare l’intra-architettura di altre nanostrutture autoassemblate.

In natura, i complessi di raccolta della luce con forti accoppiamenti intermolecolari svolgono un ruolo vitale nel processo di fotosintesi, facilitando il trasporto dell'energia di eccitazione ai centri di reazione1,2. Per comprendere meglio i processi di trasporto dell’energia, i sistemi naturali sono stati ampiamente modellati da sistemi artificiali più semplici e controllabili3,4. Tra questi, i nanotubi a doppia parete (DWNT) che si autoassemblano da molecole anfifiliche C8S3 (Fig. 1A) in un ambiente acquoso5,6, sono particolarmente interessanti in quanto presentano una forte somiglianza strutturale con i clorosomi presenti nei batteri dello zolfo verde7,8, 9, ottimizzati per la fotosintesi in ambienti scarsamente illuminati8. È generalmente accettato6,10,11 che il sistema DWNT C8S3 sia composto da cromofori fortemente accoppiati organizzati in strutture cilindriche supramolecolari interne ed esterne (Fig. 1B, riquadro a sinistra), che ha un'influenza significativa sulle proprietà ottiche del sistema.

Schema dell'apparato sperimentale per la diluizione flash di DWNT C8S3. (A) Struttura della molecola anfifila C8S3 (rosso: ossigeno, giallo: zolfo, verde: cloro, grigio: carbonio, blu: azoto) dove sono evidenziate diverse entità funzionali (blu—gruppo idrofilo, arancione—cromoforo, grigio—gruppo idrofobico ). (B) Le due pompe a siringa forniscono la soluzione DWNT e la miscela metanolo-acqua al miscelatore microfluidico a goccia, dove il processo di diluizione flash viene eseguito in modo controllato. L'uscita del mixer è collegata brevemente a una cella a flusso microfluidica, dove lo spettro di assorbimento dei NT diluiti flash viene continuamente monitorato. Gli NT diluiti flash vengono raccolti all'estremità della cella a flusso, congelati rapidamente nella stazione cryo-TEM e sottoposti a imaging utilizzando cryo-TEM. Gli inserti mostrano una rappresentazione visiva (resa utilizzando Blender) di DWNT e NT diluiti flash, insieme a molecole disciolte; per semplicità non sono mostrate le molecole del solvente.

Il forte accoppiamento tra i cromofori porta alla formazione di eccitazioni delocalizzate, gli eccitoni10,12. Questi viaggiano avanti e indietro lungo i nanotubi (NT), ma potrebbero anche migrare da un NT all'altro11. Per evitare tale diafonia tra gli NT, l'NT interno può essere disaccoppiato dalla struttura del DWNT mediante un processo chiamato flash-dilution10,13, ovvero una rapida miscelazione della soluzione acquosa del DWNT con una miscela di metanolo e acqua. Ciò consente la dissoluzione selettiva dell'NT esterno (Fig. 1B, riquadro a destra), come si è concluso sulla base della scomparsa del picco di assorbimento eccitonico associato all'NT esterno6,11. La modellazione delle proprietà ottiche dell'NT interno richiede la conoscenza della sua struttura, ma gli studi strutturali (ad esempio crio-TEM) sono limitati dal rapido riassemblaggio (entro pochi minuti10) delle molecole di NT esterne fuori equilibrio disciolte.