Photoprotection on light harvesting complex CP29. Transient spectra analysis and characterization

Excess light can damage photosynthetic organisms. For this reason, plants developed a set of photoprotective mechanisms with various reaction times, from sub-picosecond to minutes. Their understanding is interesting also in view of genetically modified plants which may allow faster growth and higher crop yields. In this thesis we aim to understand how the fastest sub-picosecond photoprotective mechanisms work on a molecular scale. Traditionally, photosynthetic samples have been studied in detergent, which does not resemble the in vivo molecular environment within the cell membrane. The recently introduced nanodiscs are lipid bilayers which mimic much better the intra-cellular membrane environment. In this study, using ultrafast pump-probe spectroscopy experiments, we provide a description of non-photochemical quenching mechanisms present in Light Harvesting Complex CP29 incorporated in nanodiscs, and containing Chlorophylls and Carotenoids as chromophores. Experimental data are subjected to global analysis to extract signatures of the different excited states and the associated timescales. We show that the cell-damaging Chlorophyll singlet excited state quenches faster in nanodiscs’ samples than in detergent ones. We also provide experimental evidence supporting the existence of a recently reported S* excited state which is attributed to a Carotenoid conformational change.The full understanding of photoinduced energy transfer and photoprotective processes in natural photosynthetic complexes can be used to guide the design of artificial photosynthetic systems.

L'eccesso di luce può danneggiare gli organismi fotosintetici. Per questo motivo, le piante hanno sviluppato una serie di meccanismi fotoprotettivi con tempi di reazione che variano da sub-picosecondi fino a minuti. La loro comprensione è rilevante in prospettiva delle piante geneticamente modificate, le quali possono consentire una crescita più rapida e incrementare i raccolti. In questa tesi ci proponiamo di capire come funzionano, su scala molecolare, i meccanismi fotoprotettivi più veloci che operano con tempi inferiori al picosecondo. Tradizionalmente, i campioni fotosintetici sono stati studiati in soluzione con detergente, che non assomiglia all'ambiente molecolare in vivo all'interno della membrana cellulare. I nanodischi recentemente introdotti sono formati da doppi strati lipidici, i quali riproducono l'ambiente della membrana intracellulare. In questo studio, utilizzando la tecnica di spettroscopia ultraveloce chiamata Pump-probe, forniamo una descrizione dei meccanismi di spegnimento non fotochimico presenti nel Light Harvesting Complex CP29 incorporato in nanodischi e contenente clorofille e carotenoidi come cromofori. I dati sperimentali sono stati analizzati mediante l'algoritmo di global analysis per estrarre i contributi dei diversi stati eccitati e le relative tempistiche. I risultati mostrano che lo stato eccitato del singoletto di clorofilla dannoso per le cellule si estingue più velocemente nei campioni di nanodischi rispetto a quelli di detergente. Inoltre, i dati forniscono prove sperimentali a sostegno dell'esistenza di uno stato eccitato S* recentemente riportato che è attribuito a un cambiamento conformazionale del carotenoide. La piena comprensione del trasferimento di energia fotoindotto e dei processi fotoprotettivi nei complessi fotosintetici naturali può essere utilizzata come riferimento per la progettazione di sistemi fotosintetici artificiali.