Investigation of light management mechanisms in photosynthetic organisms using time-resolved fluorescence

The initial stage of photosynthesis hinges on the interaction of light with active molecules such as chlorophyll or carotenoids. Subsequently, this energy is channeled toward the reaction center, initiating charge separation and electron transport. However, owing to the distinct kinetics constants of these processes (energy transfer in picoseconds and electron transport in nanoseconds), an excess of energy reaches the photosystem without conversion into chemical energy. This surplus energy can potentially harm the system and must be dissipated. In our study, we concentrate on investigating how diverse photosynthetic organisms regulate and redirect this excess energy along alternative paths. In the case of red algae, we examine how photonic structures can interact with the external antenna systems, disrupting excitation balance and guiding energy along a controlled pathway. For corals, we analyze how fluorescent proteins can modify the quality and intensity of light, influenced by energy transfer and scattering, which can be absorbed by symbionts. We have also developed time-resolved techniques for tracking non-photochemical energy (NPQ) in various photosynthetic organisms. We employ fluorescence lifetime as a parameter, which is independent of the number of fluorophores and more robust than intensity-based measurements. Additionally, we explore the dynamics of microalgae fluorescence lifetimes during their movement, a crucial step for monitoring in future NPQ while organisms are in motion.

La fase iniziale della fotosintesi dipende dall'interazione della luce con molecole attive come la clorofilla o i carotenoidi. Successivamente, questa energia viene canalizzata verso il centro di reazione, avviando la separazione delle cariche e il trasporto degli elettroni. Tuttavia, a causa delle costanti cinetiche distinte di questi processi (trasferimento di energia in picosecondi e trasporto degli elettroni in nanosecondi), un eccesso di energia raggiunge il fotosistema senza convertirsi in energia chimica. Questo surplus energetico può potenzialmente danneggiare il sistema e deve essere dissipato. Nel nostro studio, ci concentriamo sull'indagine di come diversi organismi fotosintetici regolino e ridirigano questo eccesso di energia lungo percorsi alternativi. Nel caso delle alghe rosse, esaminiamo come le strutture fotoniche possano interagire con i sistemi antenna esterni, disturbando l'equilibrio di eccitazione e guidando l'energia lungo un percorso controllato. Per i coralli, analizziamo come le proteine fluorescenti possano modificare la qualità e l'intensità della luce, influenzate dal trasferimento di energia e dalla dispersione, che possono essere assorbiti dai simbionti. Abbiamo inoltre sviluppato tecniche a risoluzione temporale per il tracciamento dell'energia non fotochimica (NPQ) in vari organismi fotosintetici. Utilizziamo il tempo di vita della fluorescenza come parametro, che è indipendente dal numero di fluorofori e più robusto rispetto alle misurazioni basate sull'intensità. Inoltre, esploriamo la dinamica dei tempi di vita della fluorescenza delle microalghe durante il loro movimento, un passo cruciale per il monitoraggio futuro del NPQ mentre gli organismi sono in movimento