Photoactive macromolecules play many essential roles in regulating a biological or chemical function in living organism or light harvesting system. The photoactive bio-macromolecules such as protein or nucleic acid have its own photoreaction accompanying the change in the three-dimensional structures (or conformations). The structural transitions of bio-macromolecule mediate the expression of characteristic biological function. The organic or inorganic macromolecules acting as artificial light harvesting module has the photodynamics of excited charge carrier generated from the light illumination. This excited carrier dynamics in an artificial light harvesting module is highly related with the efficiency of solar-energy conversion. Accordingly, it is of importance to investigate both of the structural dynamics and the excited carrier dynamics of photoactive macromolecule. Despite the importance, the comprehensive study for the structural and electronic dynamics of macromolecular system is elusive due to the lack of adequate experimental technique with the high time-resolution. The research works in this dissertation mainly focus on the direct observation of structural and electronic dynamics of macromolecular system covering from photoactive protein to artificial light harvesting system. To do so, the various time-resolved (or pump-probe) techniques are employed. Time-resolved X-ray solution scattering with optical pump and X-ray probe has a superb structural sensitivity com-pared with the time-resolved optical spectroscopy. In contrast, the combination of optical pump and optical probe pulse in time-resolved optical spectroscopy sensitively detects the change of the electronic state induced by the pump pulse. Thus, the combination of time-resolved X-ray solution scattering (TRXSS) and time-resolved optical spectroscopy enable us to directly track the electronic and structural change of intermediate in the photoreaction of macromolecular system.
TRXSS experiment for the signaling of wild-type photoactive yellow protein (wt-PYP) is implemented. From the systematic kinetic analysis of time-resolved X-ray scattering data, the parallel kinetics including the four intermediates is determined. Using the shape reconstruction of intermediate, the information for the molecular shape of intermediate can be extracted from the species-associated scattering curve. From the structural analysis, it is revealed that the signaling of wt-PYP accompanies a protrusion of N-terminal which is maximized in the signaling state. This conformational change of wt-PYP in solution cannot be detected in the crystalline phase due to the crystal contact. The time-resolved X-ray solution scattering experiment of wt-PYP demonstrates the possibility that TRXSS is an adequate method to track the protein conformational change in real time.
The combination of TRXSS sensitive to the protein conformation and time-resolved optical spectroscopy sensitive to the environment of photosensory domain (or chromophore) is used to investigate the relationship between the local structural transition around chromophore and the change in the global protein con-formation. From the combined probe approach, it is unraveled that in the site-directed mutant PYP (E46Q-PYP) the local structure of the chromophore probed by time-resolved optical spectroscopy temporally pre-cedes the change in the global conformation leading to the signaling state probed by TRXSS. This combined probe approach gives us the information for the local structural change around the chromophore as well as the global conformational change.
The target bio-macromolecule of TRXSS experiment is expanded to phytochrome which is an oligomer protein acting as a red-light photoreceptor in plants, fungi, and bacteria. The analysis of time-resolved scattering signal based on the non-equilibrium molecular dynamics simulation sheds light on the new structural insight into the signaling transduction mechanism of bacteriophytochrome. The expression of signaling state in the photocycle of bacteriophytochrome involves the formation of large void in the middle of protein through the opening of two helical spines. This result suggests that the protein conformational change of bathy bacteriophytochrome is quite different with that of canonical bacteriophytochrome.
To investigate the excited carrier dynamics on the inorganic semiconductor, the femtosecond transient absorption spectroscopy experiment of size-graded PbS colloidal quantum dots (CQDs) is performed. From the comparative study between the size-graded CQDs and the single-sized CQDs, it is demonstrated that the excited carrier transfer between the layers containing different sizes of CQDs is accelerated in size-graded case relative to in single-sized case. Considering the energy diagram on size-graded CQDs, the feature of the accelerated excited carrier transfer is originated from the quantum funnel effect.
The effect of nitrogen atom introduced in the conjugated polymer is investigated by using the various experimental techniques probing from the morphology to the excited state character of conjugated polymer. The transmission electron microscopy measurement shows that the presence of nitrogen heteroatom does not alter the morphology of conjugated polymer. However, the presence of nitrogen heteroatom in conjugated polymer results in the detrimental effect in the power conversion efficiency, which is connected with the fast charge recombination dynamics in the transient absorption signal. From the time-dependent density functional theory of polymer moiety, it is unraveled that the nitrogen heteroatom in conjugated polymer decreases the polarity of conjugated polymer represented by the excited state dipole, resulting in the decrease of the extent of charge separation.
광화학 거대분자 시스템은 생명체 또는 광수확 시스템내에서 생체신호 및 화학신호를 조절하는 중요한 역활에 관여한다. 단백질 또는 핵산과 같은 광활성 생체분자의 경우, 3차원 구조의 변화를 수반하는 고유의 광반응을 가지고 있다. 이와 같은 생체분자의 구조전이는 특징적인 생체신호 발현을 가능케한다. 인공광합성 모듈로 작용하는 유기 또는 무기 거대분자 시스템들은 빛에 의해 여기된 전자들의 동력학을 수반한다. 인공광합성 시스템내에서 여기 전자 동력학은 태양빛-에너지 변환효율에 밀접한 관련성을 보인다. 이런 맥락에서 광활성 거대분자 시스템상의 구조 및 전자 동력학에 대한 이해는 매우 중요하다. 이런 중요성에도 불구하고, 높은 시간 분해능을 갖는 적당한 실험적 방법론의 부재로 광활성 거대분자 시스템상의 구조 및 전자 동력학에 대한 포괄적인 연구는 찾기 힘든 실정이다. 본 논문에서 수행된 연구들은 광활성 단백질에서 인공광합성 시스템까지 다양한 광화학반응의 구조 및 전자 동력학의 관찰에 초점을 맞추고 있다. 이를 위해 들뜸-탐색 방법을 기반으로 하는 다양한 시간분해 기법들이 사용되어졌다. 들뜸 레이저 펄스와 탐색 엑스선 펄스를 사용하는 시간분해 용액상 산란학의 경우, 탐색 엑스선 펄스가 높은 구조 민감도를 가진다. 이에 반해, 들뜸 레이저 펄스와 탐색 레이저 펄스를 사용하는 시간분해 분광학은 펌프 펄스에 의해 여기된 전자 상태를 보다 민감하게 탐지한다. 그러므로 시간분해 엑스선 산란학과 시간분해 분광학의 복합적인 사용은 광활성 거대분자 시스템내에서 발생되는 구조 및 여기 전자 동력학을 직접적으로 관찰 가능케 할 것이다.
광활성 황단백질에 대한 시간분해 엑스선 산란학 실험이 수행되었는데, 시간분해 엑스선 산란 신호에 대한 체계적인 분석으로부터 4개의 중간체를 동반하는 이분화된 구조전이를 관찰하였다. 각 중간체에 해당하는 엑스선 산란 신호에 대해 3차원 분자 구조 모델링을 통해 중간체의 구조를 추출하였다. 이로부터 광활성 황단백질의 신호전달 반응은 N-말단의 돌출을 동반하는 구조전이가 동반되고, 해당 구조 변화가 신호전달 상태에서 극대화된다는 것을 밝혀내었다. 이러한 용액상에서의 광활성 황단백질 구조변화는 결정상태의 경우 단백질들 사이의 빽빽한 배치로 인해 관찰될 수 없었다. 광활성 황단백질에 대한 시간분해 엑스선 용액상 산란학 실험은 실시간 단백질의 구조변화를 추적할 수 있는 방법론으로 적합하다는 가능성을 입증하였다.
단백질의 광수용체 근방의 국부적인 구조 변화와 전제적인 구조 변화 사이의 구조적 상관관계를 알아보기 위해 시간분해 엑스선 산란학과 시간분해 분광학이 복합적으로 사용되었다. 이로부터 광활성 황단백질 돌연변이상의 광유도 신호전달 반응에서 광수용체 근방의 국부적인 구조 변화가 전체적인 단백질 구조에 변화에 비해 시간적으로 선행된다는 사실을 밝혀내었다. 이런 복합 탐색 접근은 단백질의 국부적인 구조변화 정보 뿐만아니라 전체적인 단백질의 구조변화까지의 정보를 제공해준다.
시간분해 엑스선 산란학 실험의 대상은 생체내에서 붉은 빛에 순응하는 소중합체 구조를 가지는 박테리오파이토크롬으로 확대되었다. 비평형 전산모사를 토대로 하는 시간분해 회절신호 분석법은 박테리오파이토크롬의 광유도 신호전달 반응상의 단백질 구조에 대한 이해를 주었다. 박테티오파이토크롬의 신호전달 상태 발현은 단백질내의 헬릭스 가닥 사이의 벌어짐을 통한 빈 공간의 생성을 수반한다. 이 결과는 토양종 박테리오파이토크롬과 심해종 박테리오파이토크롬의 단백질 구조 동력학 사이의 차이를 보여주었다.
크기가 다른 PbS 양자점드로 구성된 무기물 반도체상의 여기 상태 동력학을 펨토초 과도 흡광 분광학을 통해 연구하였다. 단일 크기를 갖는 양자점으로 이루어진 시스템과 다양한 크기를 갖는 양자점들이 크기에 따라 정렬된 경우를 비교하여, 크기가 다른 양자점들이 정렬된 시스템내에서 다른 크기의 양자점들 사이에서 발생되는 여기 상태 전자 전달 반응이 가속화된다는 사실을 밝혀내었다. 크기가 다른 양자점들 사이의 전자 상태 모식도를 고려해 볼 때, 가속화된 여기 상태 전자 전달 반응은 양자 깔대기 효과에서 기인되었다고 보인다.
공액 중합체 내의 질소 원자 치환 효과를 알아보기 위해 공액 중합체의 표면구조에서부터 여기 상태 특징까지를 탐색할 수 있는 다양한 방법론을 이용하여 알아보았다. 투과 전자 현미경 측정을 통해 질소 치환 효과가 공액 중합체의 표면 구조를 바꾸지 않는다는 사실을 알아내었다. 그러나 질소가 치환된 공액 중합체 상에서 에너지 변환 효율이 급격히 떨어진다는 것이 보여졌는데, 이는 과도 흡광 신호상의 빠른 전하 재조합 반응과 연결된다. 공액 중합체 일부분에 대한 시간의존 범밀도 함수론 양자 계산을 통해 중합체 상의 질소 치환효과는 여기 상태 쌍극자의 극성을 감소시킨다는 사실을 알아내었고, 이로 인해 전하 분리 정도가 감소되었다고 추측된다.
