光合系统中基于 FRET 的光能驱动纳米通信
生物物理
2021-03-26 v2 生物大分子
摘要
叶绿素与类胡萝卜素是光合系统的关键组分，基于共振能量转移机制被提出用于纳米尺度的分子通信。我们介绍了这两类色素，重点关注其优异特性，如能量收集、传输中超低能耗、皮秒级延迟、信号转换能力以及生物兼容性。理论分析得到光系统 II 复合物上两项光谱实验的支持。第一项实验旨在描述光系统 II，包括计算类胡萝卜素与叶绿素间的能量转移效率。第二项实验估计了光化学效率，展示叶绿素在进一步能量处理中的有效性。利用实验测定值，分析了通信与能量性能，计算了信道阻塞概率，并估计了每比特能耗。将类胡萝卜素分子视为发送端、叶绿素视为接收端、它们之间的能量转移作为信息编码方式，可实现高达 1 Gbit/s 的吞吐量，误码率低于 10^-3，平均传输延迟约 20 ps，能耗约 2.0x10^-18 J/bit。这些结果表明，由于具备能量收集能力与低数据传输能耗等适宜的能量特性，光合系统在高潜力纳米通信及其他相关应用中前景广阔。
引用
@article{arxiv.2003.01628,
title = {Light Energy Driven Nanocommunications with FRET in Photosynthetic Systems},
author = {Aleksandra Orzechowska and Joanna Fiedor and Pawel Kulakowski},
journal= {arXiv preprint arXiv:2003.01628},
year = {2021}
}