Моделирование механизмов формирования флуоресцентных белков и первичных фотохимических процессов в функционировании биологических хромофоровНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. Моделирование механизмов формирования флуоресцентных белков и первичных фотохимических процессов в функционировании биологических хромофоров
Результаты этапа: Предложен и реализован новый вариант частично сконтрактированной квазивырожденной теории возмущений, основанный на технике построения эффективного гамильтониана, XMCQDPT2. Разбиение молекулярного гамильтониана на гамильтониан нулевого приближения и возмущение выбирается таким образом, чтобы получаемые результаты были инвариантны относительно широкого класса разрешенных преобразований молекулярных орбиталей и векторов модельного пространства в каждом нетривиальном порядке теории возмущений. Инвариантность теории является одним из важнейших свойств нового метода, выгодно отличающих его от существующих подходов, основанных также на технике построения эффективных гамильтонианов. Инвариантность относительно ортогональных преобразований базиса модельного пространства позволяет исследовать области квазипересечения состояний, полученных в рамках метода CASSCF, характеризующихся сильным смешением векторов модельного пространства. Кроме того, при увеличении размерности эффективного гамильтониана энергии индивидуальных состояний достаточно быстро стремятся к своему предельному значению, отвечающему полностью расконтрактированной теории в каждом нетривиальном порядке. С помощью разработанных в рамках проекта методов исследованы первичные фотохимические процессы при электронном возбуждении изолированного хромофора зеленого флуоресцентного белка и его мета-аналога. Впервые установлено, что темное состояние играет ключевую роль в динамике дезактивации электронно-возбужденного состояния мета-хромофора зеленого флуоресцентного белка и обусловливает следующие свойства хромофора в различном окружении: отсутствие флуоресцентных свойств и долгоживущая компонента в кинетике дезактивации возбужденного состояния изолированного аниона; а также быстрое тушение флуоресценции в отсутствие изомеризации аниона и усиление кислотных свойств в возбужденном состоянии нейтрального хромофора в протонном полярном растворителе. Получены первые результаты о механизме окисления трипептида в процессе формирования хромофорной группы флуоресцентных белков. Впервые механизм, предлагаемый в рамках данного проекта, позволяет объяснить возможность образования хромофоров, имеющих максимум флуоресценции как в зеленой, так и в красной областях спектра. Показано, что образование той или иной структуры контролируется белковым окружением, которое влияет на С-Н кислотность различных групп катионного интермедиата, предшествующего образованию сопряженной структуры хромофора. Наряду с исследованием механизмов внутренней конверсии в фотоактивных белках в проекте были исследованы характерные времена перераспределения энергии по колебательным степеням свободы в изолированных Tyr-содержащих пептидах при облучении их квантом света в УФ-диапазоне. Установлено, что процесс фотоиндуцированной мономолекулярной диссоциации этих пептидов, а также их димеров является статистически равновесным.
2 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Моделирование механизмов формирования флуоресцентных белков и первичных фотохимических процессов в функционировании биологических хромофоров
Результаты этапа: Разработан и реализован эффективный параллельный алгоритм численного расчета градиента и вектора неадиабатической связи в рамках нового метода многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений XMCQDPT2, разработанного на первом этапе проекта. С помощью разработанных в проекте методов найдены и охарактеризованы структуры конических пересечений для реакционного и нереакционного каналов внутренней конверсии фотоактивируемого флуоресцентного белка asFP595. Впервые показано, что анион хромофорной группы этого белка лежит в основе механизма его действия - фотопереключения из нефлуоресцирующей во флуоресцирующую форму белка при поглощении кванта света. Установлен детальный механизм разгорания флуоресценции, в основе которого лежит фотоиндуцированная реакция изомеризации аниона хромофорной группы, связанная с одним из каналов быстрой безызлучательной релаксации темной формы белка через коническое пересечение возбужденного и основного электронных состояний. Впервые установлена связь между топографией поверхности потенциальной энергии возбужденного электронного состояния темной формы белка в области Франка-Кондона и малым квантовым выходом реакции фотоизомеризации в белке asFP595, наблюдаемым экспериментально. Предложен механизм спонтанного перехода из активной в нефлуоресцирующую форму белка asFP595 на поверхности потенциальной энергии основного состояния. Создана теоретическая база нового экспериментального метода ионной калориметрии биологических хромофоров в газовой фазе, целью которого является оценка величины барьеров заторможенного внутреннего вращения в основном электронном состоянии. Проведено обоснование выбора фотоиндуцированной фрагментации хромофора в качестве калориметрической пробы и показана экстремальная зависимость колебательной теплоемкости от температуры в случае хромофорной группы белков зрительной рецепции.
3 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Моделирование механизмов формирования флуоресцентных белков и первичных фотохимических процессов в функционировании биологических хромофоров
Результаты этапа: Проект направлен на теоретическое исследование механизмов первичных фотохимических процессов в фоторецепторных и флуоресцентных белках, лежащих в основе их функционирования, а также на установление механизма формирования хромофорных групп биомаркеров семейства зеленого флуоресцентного белка GFP, отличающихся многообразием структур и имеющих широкий спектральный диапазон флуоресценции. В проекте предложен и реализован новый вариант частично сконтрактированной квазивырожденной теории возмущений, основанный на технике построения эффективного гамильтониана, XMCQDPT2, а также эффективный параллельный алгоритм численного расчета градиента в рамках этого метода. Инвариантность теории является одним из важнейших свойств нового метода. С помощью разработанного в рамках проекта метода исследованы механизмы безызлучательной релаксации как в изолированных хромофорах, так и в белках. Установлено, что электронно-ядерное взаимодействие является основополагающим в различных механизмах фотоотклика анионов изолированных биологических хромофоров. Неадиабатический характер динамики в возбужденном состоянии этих молекул приводит к существованию двух каналов сверхбыстрой безызлучательной релаксации, которые связаны как с электронным откликом в канале колебательной автоионизации, так и с внутренней конверсией, протекающей через конические пересечения основного и возбужденных электронных состояний. Установлен механизм окисления трипептида в процессе формирования хромофорной группы флуоресцентных белков, позволяющий объяснить возможность образования хромофоров, имеющих максимум флуоресценции как в зеленой, так и в красной областях спектра. Показано, что образование той или иной структуры контролируется белковым окружением, которое влияет на С-Н кислотность различных групп катионного интермедиата, предшествующего образованию сопряженной структуры хромофора. Найдены и охарактеризованы структуры конических пересечений для реакционного и нереакционного каналов внутренней конверсии фотоактивируемого флуоресцентного белка asFP595. Впервые показано, что изомеризация анионного хромофора этого белка лежит в основе механизма разгорания флуоресценции. Детально исследован фотоцикл синего флуоресцентного белка BFP, включающий в себя как образование короткоживущих анионных интермедиатов, так и долгоживущего радикала хромофора при резонансной двухфотонной ионизации. Установлены механизмы фотоактивируемых процессов переноса протона, сопряженных с внутренней конверсии в фотоцикле BFP. Разработан новый метод для оценки энергетических барьеров заторможенного внутреннего вращения в заряженных хромофорах в газовой фазе, основанный на измерении колебательной теплоемкости как функции температуры. В качестве калориметрической пробы предложено использовать фотоиндуцированную фрагментацию. Установлен механизм внутренней конверсии изолированного хромофора белков зрительной рецепции, протонированного основания Шиффа ретиналя, а также механизм его фотоиндуцированной фрагментации в основном электронном состоянии в газовой фазе.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".