Photonics RussiaPhotonics RussiaФотоника1993-72962686-844XTechnosphera JSC68689810.22184/1993-7296.FRos.2025.19.4.304.311BiophotonicsБиофотоникаResearch ArticleOptical properties of the bacteriochlorophyll a within the B800 part of Rhodoblastus Acidophilus light-harvesting complex studied via time-dependent density functional theory-based calculationsИсследование оптических свойств бактериохлорофилла а в составе фрагмента B800 светособирающего комплекса Rhodoblastus acidophilus при помощи нестационарных расчетов на основе теории функционала плотностиhttps://orcid.org/0000-0002-8008-0906KovalevaEvgeniya A.КовалеваЕвгения Андреевна
Russian Federation

Cand. of Sciences (Phys.&Math), Senior Researcher

к. ф.- м. н., старший научный сотрудник

kovaleva.evgeniya1991@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8103-1823BegunovichLyudmila V.БегуновичЛюдмила Витальевна
Russian Federation

Cand. of Sciences (Phys.&Math), Researcher

к. ф.- м. н., научный сотрудник

lyuda.illuzia@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9355-2872KorshunovMaxim M.КоршуновМаксим Михайлович
Russian Federation

Dr. of Sciences (Phys.&Math), Corr. Member of the RAS; Chief Researcher, L. V. Kirensky Institute of Physics of the RAS – a separate unit of the FITC KSC SB RAS; Deputy Scientific Director of the Federal Research Center Krasnoyarsk Scientific Center SB RAS

д. ф.- м. н., чл.- корр. РАН; главный научный сотрудник, Институт физики им. Л. В. Киренского РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН; заместитель научного руководителя Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН

mkor@iph.krasn.ruFederal Research Center Krasnoyarsk Science Center SB RASФедеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН»240720251943043110707202507072025Copyright ©; 2025, Kovaleva E.A., Begunovich L.V., Korshunov M.M.Copyright ©; 2025, Ковалева Е.А., Бегунович Л.В., Коршунов М.М.2025Kovaleva E.A., Begunovich L.V., Korshunov M.M.Ковалева Е.А., Бегунович Л.В., Коршунов М.М.https://journals.eco-vector.com/1993-7296/article/view/686898

Time-dependent density functional theory-based approaches, TD-DFT and TD-DFTB, are used to study the optical absorption of B800 part of light-harvesting complex 2 (LH2) of Rhodoblastus acidophilus. Calculated spectra for both single molecule and the optimized structure of B800 complex containing nine of such molecules are in qualitative agreement with experimental data. The absence of any sizable effects originating from the interaction between adjacent molecules are proved. Thus, optical features of B800 LH2 part are not connected to the structural organization of pigments. The importance of the time-dependent procedure for the correct description of BChl a absorption spectrum is demonstrated.

При помощи нестационарных расчетов на основе теории функционала плотности методами TD-DFT и TD-DFTB исследованы оптические свойства фрагмента B800 светособирающего комплекса 2 (LH2) Rhodoblastus acidophilus. Полученные в результате расчетов спектры поглощения как одиночной молекулы BChl a, так и оптимизированной структуры B800, состоящей из 9 молекул, качественно согласуются с экспериментальными данными. Доказано отсутствие значимых эффектов, обусловленных взаимодействием между соседними молекулами. Таким образом, спектральные особенности B800 не связаны со структурной организацией молекул пигментов. Показана важность нестационарных расчетов для корректного описания спектра поглощения BChl a.

light-harvesting complexpurple bacteriaDFTDFTBTD-DFToptical absorption spectraсветособирающие комплексыпурпурные бактерииDFTDFTBTD-DFTспектры оптического поглощенияThis work was supported by the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation.Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.Curutchet C., Mennucci B. Quantum chemical studies of light harvesting. Chem. Rev. 2017; 117: 294–343. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00700.Mirkovic T., Ostroumov E. E., Anna J. M., van Grondelle R., Govindjee, Scholes G. D. Light Absorption and Energy Transfer in the Antenna Complexes of Photosynthetic Organisms. Chem. Rev. 2017; 117: 249–93. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00002.Gudkov S. V., Sarimov R. M., Astashev M. E., Pishchalnikov R.Yu., Yanykin D. V., Simakin A. V., et al. Modern physical methods and technologies in agriculture. Uspekhi Fizicheskih Nauk. 2024; 194: 208–26. https://doi.org/10.3367/UFNr.2023.09.039577.Maity S., Kleinekathöfer U. Recent progress in atomistic modeling of light-harvesting complexes: a mini review. Photosynth. Res. 2023; 156: 147–62. https://doi.org/10.1007/s11120-022-00969-w.Saga Y., Tanaka A., Yamashita M., Shinoda T., Tomo T., Kimura Y. Spectral Properties of Chlorophyll f in the B800 Cavity of Light-harvesting Complex 2 from the Purple Photosynthetic Bacterium Rhodoblastus acidophilus. Photochem. Photobiol. 2022; 98: 169–74. https://doi.org/10.1111/php.13491.Qian P., Swainsbury D. J.K., Croll T. I., Castro-Hartmann P., Divitini G., Sader K., et al. Cryo-EM Structure of the Rhodobacter sphaeroides Light-Harvesting 2 Complex at 2.1 Å. Biochemistry. 2021; 60: 3302–14. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.1c00576.Bose A., Makri N. All-Mode Quantum–Classical Path Integral Simulation of Bacteriochlorophyll Dimer Exciton-Vibration Dynamics. J. Phys. Chem. B. 2020; 124: 5028–38. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.0c03032.Cupellini L., Qian P., Nguyen-Phan T.C., Gardiner A. T., Cogdell R. J. Quantum chemical elucidation of a sevenfold symmetric bacterial antenna complex. Photosynth. Res. 2023; 156: 75–87. https://doi.org/10.1007/s11120-022-00925-8.Begunovich L. V., Kovaleva E. A., Korshunov M. M., Shabanov V. F. Absorption spectra of the purple nonsulfur bacteria light-harvesting complex: A DFT study of the B800 part. J. Photochem. Photobiol. A Chem. 2024; 450: 115454. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2023.115454.Fujimoto K. J., Minoda T., Yanai T. Spectral Tuning Mechanism of Photosynthetic Light-Harvesting Complex II Revealed by Ab Initio Dimer Exciton Model. J. Phys. Chem. B. 2021; 125: 10459–70. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.1c04457.RCSB PDB – 2FKW: Structure of LH2 from Rps. acidophila crystallized in lipidic mesophases n. d. https://www.rcsb.org/structure/2FKW (accessed September 26, 2023).Bonafé F. P., Aradi B., Hourahine B., Medrano C. R., Hernández F. J., Frauenheim T., et al. A Real-Time Time-Dependent Density Functional Tight-Binding Implementation for Semiclassical Excited State Electron–Nuclear Dynamics and Pump–Probe Spectroscopy Simulations. J. Chem. Theory Comput. 2020; 16: 4454–69. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b01217.