ИСТИНА

Развитие квантово-динамических методов для исследования сверхбыстрых неадиабатических процессов релаксации электронно-возбужденных состояний фотоактивных белков и их хромофорных групп и установление с их помощью молекулярных механизмов зрения

Light is a major factor in determining conditions for life, and light-based technologies play an ever-increasing role in our society. This proposal focuses on the primary step in light–matter interaction that enables vision in vertebrates — the absorption of a photon by light-absorbing molecules called chromophores, their photophysics and photochemistry. Chromophores inside proteins like visual photoreceptors have our key attention. We wish to reveal the role of key molecular interactions and understand how they change and optimize the photoresponse of chromophores. To disclose how the retinal chromophore functions as an isolated molecular light absorber and in the delicate interplay with the hosting proteins, a combination of high-level electronic structure theory and state-of-the-art nonadiabatic dynamics simulations is essential. We aim at developing and implementing a comprehensive theoretical framework to explore general nonadiabatic dynamics in complex molecular systems by combining various approaches, including extended multi-configuration quasi-degenerate second-order perturbation theory (XMCQDPT2), on-the-fly trajectory surface hopping (TSH) dynamics, hybrid QM/MM methods, machine learning, and time-resolved spectra simulation techniques. This will enable mixed quantum/classical nonadiabatic dynamics simulations at the highest level of the contemporary electronic structure theory for large photoactive systems, providing results with unprecedented fidelity and affordable computational cost. The goal is to study retinal, the light-absorbing center in Rhodopsins. We wish to perform the comprehensive studies on its photoinduced nonadiabatic dynamics in the gas phase and inside the proteins. This will shed new light on the mechanism of the primary photochemical event, disclosing the difference of microbial and animal Rhodopsin environments, which favor a particular photoisomerization reaction. We will also address an open question of controllability of retinal dynamics by novel, tailor-made chemical modifications. The current project will deeply integrate the expertise and knowledge of two teams — the group of Prof. Anastasia Bochenkova (Moscow State University, Russia) and the group of Prof. Zhenggang Lan (South China Normal University, China). The expertise in the fields of electronic structure theory development and retinal photodynamics will be provided by the Russian team, and the expertise in the fields of nonadiabatic dynamics simulations together with machine learning techniques and time-resolved spectra simulations will be brought by the Chinese group. Through this joint collaborative endeavor, we will be able to tackle and control the photochemistry of vision at the atomic level with high accuracy. The methodology advancements envisioned in this project will strongly benefit the theoretical chemistry community. Our results will help tailoring biological light detectors and designing new ultrafast photoactive molecular devices.

На основе двух вычислительных программных пакетов JADE (Китай) и Firefly (Россия) будет разработан метод квантовой молекулярной динамики и создан уникальный программный комплекс для проведения многомасштабных высокоточных квантово-динамических расчетов и изучения динамики релаксации электронно-возбужденных хромофорных групп фотоактивных белков в газовой фазе и белковом окружении. В разрабатываемом программном комплексе будут использованы несколько теоретических подходов, включая квантовохимический метод расчета электронной структуры высокого уровня точности XMCQDPT2, неадиабатическую динамику с квантовыми силами, гибридный метод КМ/ММ на основе метода XMCQDPT2, методы машинного обучения и метод расчета нестационарных время-разрешенных спектров поглощения и испускания. Будет реализован эффективный алгоритм расчета аналитических градиентов энергии с использованием метода XMCQDPT2 в рамках пакета Firefly и разработан метод КМ/ММ в варианте электростатического внедрения. Разработка и эффективная реализация неэмпирических методов квантовой химии высокого уровня точности в сочетании с методами квантовой динамики для моделирования фотоактивных биосистем с высокой точностью входит в приоритетные направления Стратегии научно-технического развития РФ в области перехода к передовым технологиям. Разрабатываемый программный комплекс будет уникальным, не имеющим мировых аналогов по точности расчетов больших фотоактивных биомолекулярных систем, и при этом свободно доступным для использования зарегистрированными пользователями. С помощью разрабатываемого метода квантовой неадиабатической динамики на основе метода XMCQDPT2 впервые будет исследована сверхбыстрая динамика релаксации хромофорных групп ретиналь-содержащих белков при фотовозбуждении в газовой фазе и в белковом окружении в режиме «реального» времени. Сочетание точности метода XMCQDPT2 при расчете поверхностей потенциальной энергии (ППЭ) электронно-возбужденных состояний в широком диапазоне изменения геометрических параметров и сил, действующих на ядерную подсистему, с квантово- динамическим моделированием фоторецепторных белков является необходимым условием для установления молекулярных механизмов зрения. Одним из преимуществ данного подхода будет являться использование методов машинного обучения для предсказания ППЭ и матричных элементов неадиабатического взаимодействия для конкретной хромофорной группы в определенном окружении, которое позволит проводить многомасштабное моделирование с расчетом более сотни траекторий с различными начальными условиями для статистической достоверности получаемых результатов при определении времени и квантового выхода реакции фотоизомеризации. Еще одной отличительной чертой предлагаемого подхода будет являться возможность расчета нестационарных спектров фотоиндуцированного поглощения и испускания, что позволит получать информацию, которая может быть непосредственно сопоставлена с экспериментальными данными фемтосекундных время-разрешенных экспериментов в режиме накачки-зондирования. С помощью разрабатываемого метода квантовой фотодинамики будут решены задачи по установлению механизмов и определению времен релаксации и квантовых выходов реакции фотоизомеризации хромофорных групп ретиналь-содержащих белков и ряда их модифицированных аналогов в газовой фазе и белковом окружении, что позволит сделать вывод о способах регуляции их фотофизических и фотохимических свойств как с помощью химических модификаций, так и молекулярного окружения. Также будет впервые сделан вывод о связи времен релаксации электронно-возбужденных хромофоров с квантовыми выходами реакции фотоизомеризации. С практической точки зрения в данном проекте будет решен вопрос о роли определенного белкового окружения микробиальных и животных родопсинов в высокой эффективности и различной специфичности реакций фотоизомеризации хромофорной группы ретиналя из полностью транс в 13-цис и из 11-цис в полностью транс соответственно. С помощью проведения многомасштабных квантово-динамических расчетов в проекте будут впервые предложены химические модификации хромофорных групп со сверхбыстрыми временами релаксации электронно-возбужденных состояний и большими квантовыми выходами реакции фотоизомеризации. Также будут предложены модельные хромофоры, характеризующиеся направленным вращением по одной из двойных связей, для создания на их основе фотоактивируемых молекулярных моторов и переключателей. Разработка пакета Firefly российской группой способствует развитию области высокопроизводительных квантовохимических вычислений и полностью соответствует мировому уровню. Создание нового уникального программного комплекса JADE/Firefly российско-китайским коллективом позволит исследовать механизмы и динамику фотохимических реакций широкого круга (био)молекулярных систем, выходя за рамки данного проекта.

Научный задел российско-китайского коллектива заключается в разрабатываемых собственных программных пакетах Firefly (Россия) и JADE (Китай) с реализованными в них передовыми вычислительными методами, необходимыми для проведения эффективных параллельных расчетов квантовой динамики.