Ultrafast relaxation dynamics of Fucoxanthin Chlorophyll Protein: the carotenoid perspective

Fucoxanthin Chlorophyll Protein (FCP) is a Light Harvesting Complex that can be found in diatoms and brown algae, crucial for the photosynthesis process in the marine environment. Thanks to the presence of specific chromophores (fucoxanthin, chlorophyll a and chlorophyll c), it is able to capture the blue-green part of the light spectrum. The recent discovery of the 3D structure of FCP coming from different organisms, resolved by crystallography (from the diatom Phaeodactylum tricornutum) and electron microscopy (from the diatom Chaetoceros gracilis), helped to understand how the pigments are arranged in the protein scaffold. This knowledge is a fundamental tool for characterizing and analyzing the spectroscopic feature of FCP. In this Ph.D. thesis, the ultrafast relaxation dynamics of FCP are investigated through Two-Dimensional Electronic Spectroscopy (2DES), with a particular focus on the characterization of the role of fucoxanthin. In particular, I tried to answer a new question arising from the disclosure of structural data: the spatial closeness between fucoxanthin and chlorophyll c suggests an interaction between these two molecules, but no sign of such an interaction has been found so far. I found evidence of this interaction in an ultrafast signal appearing in 2DES maps, attributable to an ultrafast delocalization of the excitation among the chromophores. Preliminarily to these measurements, I performed a solvent-dependent characterization of isolated fucoxanthin with 2DES, studying the features related to its Intramolecular Charge Transfer (ICT) state. As a result, I found new experimental evidence related to an instant population of the ICT state, explainable using a model in which the ICT is coupled with the S2 state rather than the S1 state, as generally considered. This preliminary characterization helped me to gain insight into the spectroscopic features of fucoxanthin, and it turned out to be of crucial importance before the characterization of FCP.

La Fucoxanthin Chlorophyll Protein (FCP) è una proteina antenna che si può trovare in diatomee e alghe marroni, ed è cruciale per i processi di fotosintesi che avvengono nell’ambiente marino. Grazie alla presenza di cromofori come fucoxantina, clorofilla a e clorofilla c, questa proteina è in grado di assorbire la parte blu-verde dello spettro della luce solare che filtra sott’acqua. Recentemente, la pubblicazione della struttura 3D di vari complessi di FCP ottenuti da organismi diversi, risolta tramite cristallografia (per la diatomea Phaeodactylum tricornutum) e microscopia elettronica (per la diatomea Chaetoceros gracilis), ha permesso di capire come i pigmenti sono disposti all’interno della proteina. Inoltre, la conoscenza di questa struttura è uno strumento fondamentale per caratterizzare e analizzare le proprietà spettroscopiche di FCP. In questa tesi di dottorato, ho studiato le dinamiche di rilassamento ultraveloce di FCP tramite la spettroscopia elettronica bidimensionale (2DES), con particolare attenzione alla caratterizzazione del ruolo della fucoxantina. In particolare, ho provato a rispondere a nuove domande che sono emerse dai dati strutturali: infatti la vicinanza spaziale tra fucoxantina e clorofilla c suggerisce una possibile interazione fra di loro, anche se non esistevano ad oggi prove sperimentali a supporto. In questa tesi, ho trovato la prova di questa interazione nella presenza di un segnale ultraveloce nelle mappe 2DES che ho attribuito a un’eccitazione ultraveloce delocalizzata tra i vari cromofori. Prima delle misure su FCP, mi sono dedicato alla caratterizzazione 2DES della fucoxantina disciolta in diversi solventi, con l’obbiettivo di studiare le caratteristiche legate ad uno stato a trasferimento di carica intramolecolare (ICT). Come risultato, sono riuscito a trovare una nuova evidenza sperimentale legata alla formazione istantanea di una popolazione dello stato ICT, spiegabile attraverso un modello in cui lo stato ICT è accoppiato allo stato S2, piuttosto che allo stato S1, come generalmente si considera. Questo studio preliminare è stato fondamentale per comprendere meglio le caratteristiche spettroscopiche della fucoxantina e si è rivelato di cruciale importanza prima delle misure su FCP.