Život na Zemi je bezprostředně závislý na složitém procesu – fotosyntéze – umožňující přeměnu světelné energie na chemickou, která je dále využitelná řadou dalších organismů včetně člověka. Výchozí proces fotosyntézy, sběr fotonů, probíhá v proteinových komplexech zvaných světlosběrné antény, a to neuvěřitelně rychle – jednotlivé kroky tohoto procesu se uskutečňují na časových škálách od femtosekund (10^-15 s) po pikosekundy (10^-12 s). Tyto děje studujeme v naší laboratoři prostřednictvím fyzikálních metod (zejména časově rozlišené spektroskopie). Porozumění zmíněným dějům může ukázat cestu ke konstrukci ,,molekulárních strojů‘‘, jež budou přeměňovat světelnou energii v dále využitelné energetické zdroje (např. molekulární vodík). Momentální zaměření našeho výzkumu lze rozdělit do několika následujících kategorií.

Chlorofyly nejsou jedinými pigmenty účastnící se fotosyntézy, všechny fotosyntetické organismy obsahují mimo ně také karotenoidy. Přestože jsou karotenoidy obecně známé hlavně pro své zářivé barvy, v přírodě zastávají nejrůznější důležité funkce. Zatím neznáme jinou třídu pigmentů, která by disponovala takovým množstvím funkcí jako karotenoidy. Tato diverzita je přímo spjata s molekulovou strukturou karotenoidů a jejich unikátními spektroskopickými vlastnostmi. Spektroskopické vlastnosti karotenoidů, které jsou hojně zastoupeny např. ve světlosběrných komplexech mořských řas, totiž vykazují silnou závislost na okolním prostředí. Experimenty prováděné v naší laboratoři jsou tudíž zaměřeny nejen na hledání vztahů mezi dynamikou excitovaných stavů a strukturou karotenoidů, nýbrž i na studium chování těchto molekul v různém prostředí.

• Polívka, T., Sundström, V. Ultrafast dynamics of carotenoid excited states. From solution to natural and artificial systems. Chem. Rev. 104, 2021-2072, 2004.
• Polívka, T., Sundström, V. Dark excited states of carotenoids: Consensus and controversy. Chem. Phys. Lett. 477, 1–11, 2009.

Fotosyntetický aparát všech fotosyntetických organismů je tvořen dvěma základními jednotkami potřebnými pro hladký průběh přenosu světelné energie: světlosběrnou anténou a reakčním centrem. Světlosběrný komplex absorbuje fotony a přenáší jejich energii směrem do reakčního centra, kde díky tomu následně dochází k tzv. nábojové separaci. Na rozdíl od reakčních center vykazují světlosběrné komplexy vysokou strukturní variabilitu v závislosti na organismu, ve kterém se vyskytují. Ve většině těchto komplexů nicméně nalezneme dva základní typy pigmentových molekul sloužících k absorpci fotonů: (bakterio)chlorofyly a karotenoidy. Přenos energie, nebo obecně děje související s (bakterio)chlorofyly jsou v dnešní době již relativně dobře popsané. Situace u karotenoidů je však odlišná, díky svým unikátním spektroskopickým vlastnostem nejsou jejich funkce ve světlosběrných komplexech zdaleka tak jednoznačné. I přes toto tvrzení již ale např. víme, že karotenoidy jsou schopné přenášet energii na (bakterio)chlorofyly s účinností v rozsahu od 0 do 100% v závislosti na měřeném komplexu. Důvody existence takové variability, stejně jako samotné dráhy přenosu energie stále přináší mnoho otázek. Mimoto mají karotenoidy ve světlosběrných komplexech také regulační funkci, čímž chrání světlosběrný komplex, potažmo celý fotosyntetický organismus, před důsledky příliš silného slunečního světla. Můžeme tedy říci, že karotenoidy jsou pro fotosyntetický organismus životně důležité. Experimenty probíhající v naší laboratoři se zaměřují na hlubší pochopení jak světlosběrné, tak regulační funkce karotenoidů v nejrůznějších fotosyntetických organismech.

Mimo komplexy z Obr. 2 bylo v naší laboratoři měřeno i mnoho dalších pigment-proteinových systémů: xanthorhodopsin (Polívka et al. Biophys. J. 2009, Šlouf et al. Chem. Phys. Lett. 2011), OCP – orange carotenoid protein (Polívka et al. Biochemistry 2005, Chábera et al. BBA 2011, Polívka et al. 2013), Pcb komplexy izolované z Prochlorofyt (Durchan et al. J. Phys. Chem. B 2012), XLH komplexy izolované ze Xanthofyt (Durchan et al. J. Phys. Chem. B 2013), LH1 komplexy purpurových bakterií (Šlouf et al. PNAS 2012), acpPC komplexy izolované z Dinoflagellata (Polívka et al. Biochemistry 2006, Šlouf et al. Photosynth. Res. 2013).

• Polívka, T., Hiller, R. G., Frank, H. A. Spectroscopy of the Peridinin – Chlorophyll-a Protein: Insight into light-harvesting strategy of marine algae. Arch. Biochem. Biophys. 458, 111-120, 2007.
• Polívka, T., Frank, H. A. Molecular factors controlling photosynthetic light-harvesting by carotenoids. Acc. Chem. Res. 43, 1125–1134, 2010.

Ne všechny pigmenty vázané v proteinech jsou zapojeny do světlosběrné činnosti a následného přenosu energie. Dobrým příkladem je tzv. Orange Carotenoid Protein (OCP) izolovaný ze sinic. Sinice, prokaryotní organismy se schopností oxygenní fotosyntézy, obsahují velké světlosběrné membránové komplexy nazývané fykobilizomy. Ty přenášejí energii do Fotosystému II (PSII) a Fotosystému I (PSI). Pokud je ale intenzita dopadajícího světla moc vysoká, hrozí poškození fotosyntetického aparátu přehlcením světlosběrných antén nadbytečnou energií, která je poté namísto fotosyntézy využita ke vzniku tzv. oxygen-reactive species (ORS). Sinice se adaptovaly na tuto situaci svým unikátním mechanismem tzv. nefotochemického zhášení (non-photochemical quenching, NPQ), který chrání fotosyntetický aparát konverzí nadbytečné energie absorbované fykobilizomy v teplo. OCP zprostředkovává tuto disipaci energie. Po ozáření modro-zeleným světlem projde přeměnou ze své neaktivní oranžové formy (OCP^o) na červenou aktivní formu (OCP^r), která je schopna provádět NPQ. Jak OCP, tak i jeho evoluční předchůdce Helical Carotenoid Protein (HCP) představují tudíž ideální systémy pro studium interakcí mezi karotenoidy a proteiny.

• Dominguez-Martin, M.A., Polívka, T., Sutter, M., Ferlez, B. Lechno-Yossef, S., Montgomery, B., Kerfeld, C. Structural and spectroscopic characterization of HCP2. BBA-Bioenergetics, 1860, 414-424, 2019.
• Šlouf, V., Kuznetsova, V., Fuciman, M., Bourcier de Carbon, C., Wilson, A., Kirilovsky, D., Polívka, T. Ultrafast spectroscopy tracks carotenoid configurations in the Orange and Red Carotenoid Proteins from cyanobacteria. Photosynth. Res. 131, 105, 2017.

Současné

2019-2023 - Vztah mezi strukturou a funkcí karotenoidů: Nové cesty k řešení nezodpovězených otázek, GAČR EXPRO 19-28323X

2018-2020 - Ultrarychlá časová spektroskopie jako nástroj pro studium vztahu mezi strukturou a funkcí karotenoproteinů u sinic, GAČR 18-21631S

Ukončené

2016-2018 - Světlosběrné a fotoprotektivní funkce karotenoidů - nové přístupy pomocí multipulsní femtosekundové spektroskopie, GAČR 16-10417S

2012-2018 - Centrum fotosyntetického výzkumu, GBP501/12/G055

2015-2017 - Studium stavů přenosu náboje u karotenoidů pomocí multidimenzionální Starkovy spektroskopie, spolupráce s Department of Physics, University of Michigan, USA, MŠMT Kontakt II, LH15126

2011-2015 - Přenos excitační energie v pigment-proteinových komplexech mikroorganismů, GAČR GAP205/11/1164

2009-2012 - Excitované stavy karbonylových karotenoidů a jejich role ve fotochemických reakcích, spolupráce s Department of Chemistry, University of Connecticut, MŠMT - Kontakt, ME09037

• Radek Litvín, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích a Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.

• David Bína, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích a Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.

• Cheryl Kerfeld, Michigan State University, USA

• Alexander Ruban, Queen Mary University of London, Velká Británie

• Roman Sobotka, Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.

• Radek Kaňa, Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.

• Eliška Kuthanová, Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.

• Miroslav Kloz, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i., Sekce realizace projektu ELI Beamlines