Novel Proteins Involved in Dynamics of The Photosynthetic Apparatus

During the past few years, a considerable number of research articles have been published relating to the structure and function of the major photosynthetic protein complexes, photosystem (PS) I, PSII, cytochrome (Cyt) b6f, and adenosine triphosphate (ATP) synthase. Sequencing of the Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) genome together with several high-quality proteomics studies has, however, revealed that the thylakoid membrane network of plant chloroplasts still contains a number of functionally unknown proteins. These proteins may have a role as auxiliary proteins guiding the assembly, maintenance, and turnover of the thylakoid protein complexes, or they may be as yet unknown subunits of the photosynthetic complexes. Novel subunits are most likely to be found in the NAD(P)H dehydrogenase (NDH) complex, the structure and function of which have remained obscure in the absence of detailed crystallographic data, thus making this thylakoid protein complex a particularly interesting target of investigation. In this thesis, several novel thylakoid-associated proteins were identified by proteomics-based methods. The major goal of characterization of the stroma thylakoid associated polysome-nascent chain complexes was to determine the proteins that guide the dynamic life cycle of PSII. In addition, a large protein complex of ≥ 1,000 kDa, residing in the stroma thylakoid, was characterized in greater depth and it was found to be a supercomplex composed of the PSI and NDH complexes. A set of newly identified proteins from Arabidopsis thylakoids was subjected to detailed characterization using the reverse genetics approach and extensive biochemical and biophysical analysis. The role of the novel proteins, either as auxiliary proteins or subunits of the photosynthetic protein complexes, was revealed. Two novel thylakoid lumen proteins, TLP18.3 and AtCYP38, function as auxiliary proteins assisting specific steps of the assembly/repair of PSII. The role of the 10-kDa thylakoid lumen protein PsbR is related to the optimization of oxygen evolution of PSII by assisting the assembly of the PsbP protein. Two integral thylakoid membrane proteins, NDH45 and NDH48, are novel subunits of the chloroplast NDH complex. Finally, the thylakoid lumen immunophilin AtCYP20-2 is suggested to interact with the NDH complex, instead of PSII as was hypothesized earlier.

Photoexcitation dynamics in organic solar cell donor/acceptor systems

Solceller presenteras ofta som ett miljövänligt alternativ för energiproduktion. Det största hindret för en bredare ibruktagning av kiselbaserade solceller är deras höga pris. I och med upptäckten av ledande och halvledande organiska (kolbaserade) molekyler och polymerer har ett nytt forskningsområde, organisk elektronik, vuxit fram. Den stora fördelen med organisk elektronik är att de använda materialen oftast är lösliga. Tillverkning av elektroniska komponenter kan då göras med hjälp av konventionella trycktekniker där bläcket ersatts med upplösta organiska material. Detta har potential att betydligt sänka priset för solceller. Nackdelen med organisk elektronik är att de använda materialen är komplexa, och de fysikaliska processerna i dem likaså. I min avhandling har jag studerat fotofysiken i två polymerer, P3HT och APFO3, som kan användas för att tillverka organiska solceller. Blandade med fullerenderivatet PCBM, som är en stark elektronacceptor, fås ett material som effektivt producerar elektroner och hål under belysning. I praktiken bidrar dock inte alla skapade laddningar till strömmen ur solcellen. Elektronerna och hålen kan förbli bundna till varandra i olika exciterade tillstånd, och även de som är fria kan träffa på motsatta laddningar under vägen till kontakterna och rekombinera. Centralt i mitt arbete har varit att identifiera olika typer av exciterade tillstånd i dessa solcellsmaterial, samt att bestämma deras livstider och rekombination. Metoden för detta har varit s.k. fotoinducerad absorption, som mäter fotoexcitationernas absorptioner i infraröda våglängdsområdet. De två viktigaste resultaten som presenteras i avhandlingen är en ratekvationsmodell för fotoexcitationsdynamiken i APFO3 på ultrasnabba tidsskalor (femtosekund - microsekund) och bildandet av en rekombinationshämmande dipol vid gränsytan för P3HT och PCBM som följd av värmebehandling. Dessa resultat bidrar till förståelsen av de fotofysikaliska processerna i relaterade material.