![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Проект направлен на разработку новых подходов к управлению процессами поглощения, преобразования и передачи энергии в фотоактивных белках, в том числе на создание новых гибридных бионаноматериалов на их основе с контролируемым фотооткликом. Актуальность исследования фотохимических и фотофизических процессов, протекающих при электронно-колебательном возбуждении биологических хромофоров и фотоактивных белков, таких как белки зрительной рецепции и флуоресцентные белки, обусловлена их высокой эффективностью и сверхбыстрыми фемтосекундными временами протекания первичных фотоинициируемых реакций. Установление механизмов действия, прогнозирование и оптимизация свойств фотоактивных биосистем с помощью новейших экспериментальных методов фемтосекундной лазерной спектроскопии и современных методов квантовой химии является необходимым для создания на их основе перспективных материалов для нелинейной оптики, оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, биосенсорных технологий. В основе данного проекта лежит тесное сотрудничество экспериментальных и теоретических групп. Результаты междисциплинарного проекта, полученные на стыке физики, химии и биологии, внесут существенный вклад в понимание механизмов действия фотоактивных биосистем. Достижимость решения поставленных задач определяется наличием большого опыта работы коллектива исполнителей в областях фотохимии, биофизики, квантовой химии, фемтосекундной лазерной спектроскопии и наноплазмоники. Впервые будут проведены совместные теоретические и экспериментальные работы по оптимизации условий для избирательного отклика фотоактивных белков при селективном возбуждении определенных колебательных мод. Впервые будут разработаны подходы к управлению откликом фотоактивных белков путем воздействия на них электромагнитными полями резонансно-возбужденных плазмонных наноструктур в гибридных бионаносистемах. В рамках проекта предполагается дальнейшее развитие неэмпирических методов квантовой химии, таких как инвариантная многоконфигурационная квазивырожденная теория возмущений в варианте RI-XMCQDPT2, для эффективного построения и анализа многомерных поверхностей потенциальной энергии фотоактивных биосистем, в том числе, в областях их квазипересечения. С использованием разрабатываемых квантовохимических методов будет проведено моделирование вибронной структуры оптических спектров и исследованы механизмы электронно-колебательного взаимодействия при фотовозбуждении и дезактивации фотоактивных биосистем. В проекте планируется развитие кинетических и динамических подходов для исследования характеристических времен колебательной релаксации и внутренней конверсии хромофорных групп ретиналь-содержащих (зрительные фоторецепторы и бактериальные родопсины) и флуоресцентных белков в изолированном состоянии и в белковом окружении. В частности, планируется исследование полного фотоцикла нового бактериального родопсина, выполняющего функцию светочувствительного натриевого канала. В случае флуоресцентных белков будет разработана квантовая теория фотоиндуцированного переноса электрона на молекулы окислителя при селективном возбуждении высокочастотных колебательных мод их хромофоров. Совместные теоретические и экспериментальные работы в области молекулярной физики, молекулярной биологии и биофотоники позволят сделать вывод о роли белкового окружения в механизмах действия этих фотоактивных биосистем и определить пути управления их избирательным фотооткликом. Помимо оптимизации фотофизических и фотохимических свойств самих хромофорных групп и их ближайшего окружения в фотоактивных белках, например, путем посттрансляционных химических модификаций их структуры, в проекте планируется поиск путей оптимизации фотоотклика биомолекулярных систем при внешнем воздействии на них. В проекте планируется создание новых гибридных бионаносистем на основе фотоактивных белков и плазмонных наночастиц с заданными свойствами. Многократное увеличение эффективности нелинейного двухфотонного поглощения и интенсивности флуоресценции белков семейства зеленого флуоресцентного белка будет достигаться за счет воздействия на них ближними полями возбужденных плазмонных резонансов. Это позволит использовать нелинейные двухфотонные процессы возбуждения фотоактивных частиц в области терапевтического окна прозрачности биологических тканей (700-1200 нм), что важно в различных биомедицинских приложениях.
The interaction of molecules with light is central to vital activity of living organisms and human beings. Photosynthesis, vision in vertebrates, solar energy harvesting and conversion, and light sensing are triggered by absorption of a photon with a particular wavelength. These vital processes are remarkably efficient; and many scientific efforts are being made to elucidate the role played by the protein environment in their primary events, which occur on a time-scale down to sub-picoseconds. Photoactive proteins attract immense attention not only because of their crucial role in the functioning of living organisms, but they also provide a stage for studying elementary processes, such as photo-induced isomerization, light-driven electron transfer, charge separation, light-induced cleavage and formation of chemical bonds. The interdisciplinary research program proposed here aims at getting new insight into the ultrafast light-induced dynamics of photoactive proteins and their light-absorbing molecular units, as well as at developing new approaches for controlling light-energy absorption, energy transfer and conversion in photoactive biosystems. In contrast to the well-established paradigms in chemistry that normally takes a decoupling of nuclear and electronic motion for granted, we consider such a coupling in the excited-state decay channels of biological chromophores as a key for various mechanisms, by which light-sensitive proteins efficiently tune their photoresponse to the absorption of light. In the frame of this project, we plan to greatly enhance our understanding of the efficiency of light-triggered processes in nature by disclosing the mechanisms, where couplings to specific vibrational modes are essential to the photoresponse of biological chromophores, and ultimately, to the functioning of photoactive proteins. This includes photo-induced cis-trans isomerization in the retinal-containing Opsin proteins, which are perhaps best known as they provide vision in vertebrates, as well as recently discovered photooxidation of the Green Fluorescent proteins widely employed in bio-imaging. One of our highlight goals is to tie the nuclear wave-packet dynamics initiated in the excited state upon photo-excitation to the ultrafast light-induced reaction dynamics in de-excitation of the photoactive proteins, also revealing a role of vibrational (de)coherence in their photoresponse. We will study both the intrinsic photophysical and photochemical properties of isolated biological chromophores, which are central to the photoresponse of photoactive proteins, and the functioning of entire photoactive proteins. Therefore, we will be able to pinpoint specific atomic-scale interactions that, for example, let the same retinal chromophore absorb differently in the various vision proteins and hence allow color vision. We also aim at establishing the link between quantum yields and timescales of ultrafast processes occurring inside photoactive proteins with those initiated in bare chromophores. Devoid of a bulk environment and thus of energy dissipation through vibrational relaxation, the upper limits on quantum efficiency and quantum yields of the photo-induced reaction dynamics in the “non-dissipative” environment will be provided, consequently enabling direct comparison with ultrafast and highly efficient processes inside the proteins, which, in turn, may tune the efficiency of the isolated chromophores even further. By developing and using state-of-the-art electronic structure theory together with modern femtosecond pump-probe spectroscopy techniques, we plan to unravel the nature of selective photoresponse of visual and fluorescent proteins, and disclose relations between their photoabsorption spectra and photo-initiated reaction dynamics occurring on multiple electronic states, including vibrationally assisted electron transfer and photo-induced isomerization. Beyond solving the problem of understanding the mechanisms of mode-selective photoresponse of photoactive proteins, we ultimately aim at designing new coupled bionanoplasmonic systems, where the fundamental light-driven processes in photoactive and fluorescent proteins can be fully controlled via the interaction with adjacent plasmonic nanoparticles. The coupling between biomolecules and plasmons will be reached through simulation-aided design, precise lithographic fabrication, and plasmon-assisted functionalization of nanoparticles of particular size and shape. With the new hybrid bionanosystems, we will get the new knowledge of: • an influence of high plasmon-induced electric near-fields on light emission, energy and electron transfer in photoactive and fluorescent proteins and their chromophores. For example, high electric fields can result in a manifold enhancement of fluorescence intensity; • an effect of light confinement by optical nanoantennas on plasmon-induced nonlinear multi-photon excitation. This will allow us to greatly enhance two-photon absorption cross-sections for efficient excitation of photoactive and fluorescent biomolecules in the far-red region transparent for biological tissue absorption. The key aspect of our strategy is to bring together the knowledge of the properties of the building blocks of such hybrid bionanosystems for developing, understanding, and controlling their co-functioning. Therefore, we build an interdisciplinary team of experts, both theoreticians and experimentalists, across various fields of science, such as biophysics, photochemistry, quantum chemistry, ultrafast spectroscopy techniques, and nanoplasmonics, who will bring in their own expertise to solve the problems outlined in this research project. Within such a combined endeavor, we do believe that our project is highly feasible. As the main outcomes, our project will lay the groundwork for mode-selective photophysics and photochemistry in light-sensitive proteins and will greatly contribute to rational design of new hybrid bionanoplasmonic materials with optimal photoresponse, tuned for specific man-made applications, such as bioimaging, advanced microscopy techniques, light harvesting.
1. В рамках совместных экспериментальных и теоретических исследований будут получены новые данные о механизмах сверхбыстрых фотоиндуцированных процессов в фотоактивных биосистемах, таких как зрительные рецепторы и флуоресцентные белки. Впервые будут получены данные о временах излучательной и безызлучательной релаксации электронно-возбужденных состояний изолированных биологических хромофоров, на основе которых будет проведено переосмысление устоявшейся парадигмы о роли белкового окружения, которое способствует сверхбыстрым фемтосекундным временам протекания и большим квантовым выходам первичных процессов, лежащих в основе действия различных фоторецепторов. 2. Впервые будут проведены совместные теоретические и экспериментальные работы по направленной регуляции фотохимических превращений в изолированных хромофорах и фотоактивных белках и по оптимизации условий для их избирательного фотоотклика при селективном возбуждении определенных колебательных мод. 3. Впервые будет установлен молекулярный механизм цветного зрения – поглощение всего видимого диапазона одним и тем же хромофором, входящим в состав всех зрительных пигментов. 4. Будут созданы новые гибридные бионаносистемы, в которых фотоактивный или флуоресцентный белок иммобилизован в строго определенном месте плазмонной наноструктуры, обладающем наибольшим ближним электромагнитным полем при резонансном возбуждении. Впервые будут разработаны подходы к управлению эффективностью процессов поглощения, преобразования и передачи энергии в фотоактивных гибридных бионаносистемах. 5. Будут разработаны новые методы и подходы для теоретического описания механизма действия гибридных нанобиосистем.
Коллектив исполнителей имеет большой опыт решения электронной задачи с помощью неэмпирических методов квантовой химии высокого уровня точности, в том числе расчетов энергий электронных переходов и поиска конических пересечений между различными электронными состояниями. Участниками коллектива разработаны оригинальные методы и программы расчета интенсивностей вибронных переходов в спектрах поглощения и испускания фотоактивных биомолекулярных систем в гармоническом приближении, основанные как на прямом расчете факторов Франка-Кондона, так и на временном формализме. Руководитель проекта имеет опыт решения ядерной задачи для двумерного ангармонического потенциала при исследовании влияния заторможенного вращения молекулы как целого на ИК-спектры матрично-изолированных частиц. Основным исполнителем в экспериментальной группе проекта разработан новый подход, основанный на использовании в рамках метода коллоидной литографии в качестве маски помимо коллоидных частиц дополнительного слоя диоксида кремния, что дает дополнительные возможности для формирования определенного литографического рисунка. Имеются оригинальные методики для моделирования спектральных свойств и 3D визуализации зарядов, токов, областей с высокой интенсивностью электрического поля плазмонных наночастиц методом FDTD.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 18 мая 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Механизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основе |
Результаты этапа: 1. Разработан и реализован эффективный алгоритм расчета энергии и численного градиента энергии по ядерным координатам в рамках расширенного метода многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений XMCQDPT2 с использованием вспомогательных базисов для аппроксимации (четырехцентровых) двухэлектронных интегралов, позволяющий значительно сократить время расчета преобразованных молекулярных интегралов. Данный метод является наиболее перспективным для анализа топографии больших областей поверхности потенциальной энергии электронно-возбужденных состояний больших молекулярных систем, в том числе в областях конических пересечений поверхностей разных электронных состояний одинаковой или различной симметрии. Большой размер систем подразумевает как использование больших базисных наборов, так и большие активные пространства для построения многоконфигурационных волновых функций основного и возбужденных электронных состояний. Проведены квантовохимические расчеты с использованием нового метода многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений XMCQDPT2 на примере ряда модельных хромофоров на основе стильбена. Показано, что порядок электронно-возбужденных состояний, энергии вертикальных электронных переходов и механизм безызлучательной релаксации хорошо описываются с помощью метода XMCQDPT2, тогда как широко используемый метод теории функционала электронной плотности TDDFT с различными гибридными функционалами приводит к некорректным результатам по сравнению с экспериментальными данными. Полученные результаты опубликованы в журнале Американского химического общества [J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15265-15274]. 2. Разработан и программно реализован метод расчета интенсивности вибронных переходов в случае произвольного одномерного потенциала для определенных мод большой амплитуды. Разработанный подход позволяет учитывать динамику определенных степеней свободы в сильно ангармонических потенциалах на квантовом уровне, что особенно важно для «нежестких» биологических хромофоров, таких как протонированное основание Шиффа ретиналя – хромофора зрительных рецепторов, для которых вклад неоднородного уширения в электронно-колебательные спектры является определяющим. Метод позволяет комбинировать волновые функции разного типа для описания ядерной динамики разных степеней свободы в рамках одного расчета. Разработанный метод также позволяет явно учитывать зависимость интенсивности электронного перехода от ядерной конфигурации системы, таким образом, выходя за рамки приближения Кондона. 3. С помощью разработанного метода проведено моделирование и анализ структуры и ширины вибронных полос в оптических спектрах протонированного основания Шиффа ретиналя – хромофорной группы белков зрительной рецепции. Установлен доминирующий вклад негомогенного уширения электронно-колебательного спектра S0–S1 перехода, связанного с наличием движения большой амплитуды в основном электронном состоянии – заторможенного внутреннего вращения бета-иононового кольца протонированного основания Шиффа ретиналя. Проведен анализ зависимости ширины и формы спектров от температуры. Показано, что ширина спектра и его форма существенным образом зависит от температуры. Установлена связь активных колебательных мод хромофорной группы при фотовозбуждении с реакционными модами безызлучательной релаксации, идущей через конические пересечения S1/S0. На основе полученных данных о фотопоглощении хромофора в газовой фазе предложен молекулярный механизм цветного зрения – поглощение всего видимого диапазона одним и тем же хромофором, входящим в состав всех зрительных пигментов. По результатам подготовлена и направлена в редакцию журнала Phys. Chem. Chem. Phys. совместная публикация с экспериментальной группой проф. Л. Андерсена (Дания) по фотопоглощению протонированного основания Шиффа ретиналя в видимом и УФ диапазонах (отправлена в редакцию 7 ноября 2017 года). 4. С использованием разработанного в проекте метода RI-XMCQDPT2 проведено построение и анализ топографии поверхности потенциальной энергии первого возбужденного электронного состояния протонированного основания Шиффа ретиналя – хромофорной группы белков зрительной рецепции – вблизи конических пересечений с основным состоянием. Показано, что вдоль координат, отвечающих внутренней конверсии через конические пересечения, существуют барьеры на поверхности первого возбужденного состояния. Барьер вращения вокруг одной из двойных связей более чем в два раза меньше барьеров вращения по другим связям, что свидетельствует о специфичности реакции фотоизомеризации в газовой фазе. Показано, что средняя полная колебательная энергия с учетом вкладов от внутренних вращений меньше величины найденного барьера при T < 60 K, таким образом приводя к возможности стабилизации молекулы ретиналя в первом возбужденном состоянии только при очень низких температурах. Установлена зависимость константы скорости фотоизомеризации от температуры. Расчет констант скорости фотоизомеризациии проведен при использовании рассчитанных энергетических уровней по координате реакции путем решения одномерного уравнения Шредингера. Рассчитанное характеристическое время внутренней конверсии при безызлучательной релаксации хромофора в газовой фазе составляет порядка 5 пс при комнатной температуре, что хорошо согласуется с экспериментальными данными (4.8 пс), полученными впервые в совместных теоретико-экспериментальных работах по фемтосекундной спектроскопии с временным разрешением с группой проф. Л. Андерсена (Дания). Полученные результаты позволяют сделать вывод о существенной роли белкового окружения в механизмах действия ретиналь-содержащих белков зрительной рецепции, а также бактериальных родопсинах, в которых характеристические времена фотоиндуцированной реакции цис-транс изомеризации составляют порядка 200 – 500 фс. 5. Установлены молекулярные механизмы дезактивации электронно-возбужденной хромофорной группы белков семейства зеленого флуоресцентного белка, широко используемых в качестве биомаркеров для визуализации внутриклеточных процессов. Впервые в совместной работе теоретической группы химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и экспериментальной группы физического факультета Орхусского университета было предсказано и подтверждено наличие излучательного канала дезактивации у изолированного хромофора, который также способен флуоресцировать, находясь и вне белкового окружения, однако при гораздо более низких температурах (ниже 100 К). Полученные данные о механизмах излучательного и сверхбыстрого безызлучательного каналов релаксации хромофора из возбужденного электронного состояния открывают возможность управления его фотооткликом на временном диапазоне, охватывающем три порядка, – от пикосекунд до наносекунд, тем самым создавая необходимые условия для флуоресценции с характеристическим временем порядка 1 нс. В белке взаимодействие хромофорной группы с ближайшим белковым окружением приводит к тому, что излучательный канал дезактивации становится доминирующим уже при комнатной температуре из-за увеличения барьера внутреннего вращения в возбужденном электронном состоянии. Таким образом установлено, что роль белкового окружения сводится к усилению флуоресцентных свойств хромофорной группы зеленого флуоресцентного белка. Результаты работы опубликованы в журнале Американского химического общества [J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8766-8771]. 6. Созданы три модельные системы нового ретиналь-содержащего родопсина, функционирующего как светочувствительный натриевый канал (NaR), для исследования фотоцикла комбинированными методами квантовой и молекулярной механики. Получены полные атомистические модели белков в водном растворе и проведено молекулярно-динамическое моделирование для получения стартовых геометрических конфигураций, используемых в расчетах комбинированными методами КМ/ММ. 7. На основании численного моделирования проведён скрининг ряда плазмонных наноструктур. Выбраны частицы, обладающие высоким коэффициентом усиления локального поля, которые могут быть в дальнейшем использованы для создания гибридных бионаносистем. 8. Разработана методика получения наночастиц с формой асимметричного полумесяца с помощью метода коллоидной литографии. Структуры данного типа были изучены экспериментально и при помощи численного моделирования. Обобщены принципы формирования ряда плазмонных наноструктур с помощью оригинального метода коллоидной литографии, в основе которого лежит использование дополнительного слоя резиста, осаждаемого из газовой фазы. Метод получил название In-situ resist colloidal lithography (IRCL). Основные принципы данного подхода были представлены на международной конференции METANANO-2017 (г. Владивосток) и опубликованы в работе [AIP Conf. Proc.1874, 030004 (2017)]. 9. Проведена настройка и тестирование фемтосекундной лазерной установки, подбор и оптимизация параметров фемтосекундного лазерного излучения для возбуждения флуоресценции, настройка системы регистрации. Отработана методика измерения кинетики затухания флуоресценции, выполнен ряд предварительных экспериментов с растворами зеленого флуоресцентного белка с различными окислителями. 10. Отработаны различные методики иммобилизации молекул белка на поверхности стекла с использованием функциональных органосиланов, в частности 3-аминопропилтриметоксисилана (APTES) и (3-глицидилоксипропил)триметоксисилана (GLYMO), и золота с использованием тиолов, в частности 8-меркаптооктокарбоновой кислотой с последующей активацией карбоксильной группы 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимидом и н-гидроксисульфосукцинимидом. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Механизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основе |
Результаты этапа: 1. В проекте разработан и реализован алгоритм расчета заселенностей колебательных уровней в возбужденном электронном состоянии в начальный момент времени в зависимости от длины волны возбуждающего кванта света и ширины лазерного импульса. Метод основан на расчете интегралов перекрывания Франка-Кондона, определяющих вероятность перехода на определенный колебательный уровень в молекуле при фиксированной энергии фотовозбуждения, а также усреднение при использовании импульса определенной ширины. С помощью разработанного метода рассчитаны средние энергии колебательных мод и их заселенности в начальный момент времени при фотовозбуждении анионного хромофора зеленого флуоресцентного белка в изолированном состоянии и в белковом окружении. 2. На основании экспериментальных и теоретических результатов, полученных в рамках данного проекта, установлено, что динамика релаксации первого электронно-возбужденного состояния в белках зрительной рецепции, связанная с фотоиндуцированной реакцией изомеризации 11-цис хромофорной группы, характеризуется такими же временами, как и фотоотклик изолированной хромофорной группы. Бактериальные родопсины, содержащие полностью транс хромофорную группу, напротив, значительно уменьшают величину барьера в первом возбужденном состоянии хромофорной группы и, более того, меняют специфичность реакции изомеризации, приводя к образованию 13-цис изомера на временах порядка 500 фс. В изолированном состоянии полностью транс-изомер характеризуется временами жизни в возбужденном состоянии порядка 3 пс и изомеризация происходит преимущественно по центральной связи, приводя к образованию 11-цис изомера. Данные результаты свидетельствуют о наличии эффективных механизмов управления фотооткликом хромофорной группы в ретиналь-содержащих белках. 3. Показано, что эффективность фотоковерсии зеленого флуоресцентного белка в растворе в присутствии окислителей возрастает экспоненциально при облучении в более коротковолновой области спектра по сравнению с максимумом поглощения зеленой формы (490 нм). В частности, реакция фотоокисления происходит приблизительно в 10 раз быстрее при возбуждении светом 450 нм вместо 490 нм. Длина волны ~ 460 нм, вблизи которой происходит резкое повышение эффективности фотоконверсии, отвечает энергии перехода 0→1 для моды, отвечающей валентному колебанию сопряженной системы с волновым числом 1614 см-1, что подтверждается квантовохимическими расчетами неравновесной заселенности уровней активной моды при фотовозбуждении в зависимости от длины волны возбуждающего импульса. 4. Установлен механизм первичной светозависимой стадии фотоокисления зеленого флуоресцентного белка в присутствии окислителей. Фотоокисление идет по механизму колебательного переноса электрона из первого электронно-возбужденного состояния хромофорной группы в белковом окружении на молекулы окислителя. Полученные результаты имеют принципиально важное значение для возможного практического применения фотоокисления EGFP in situ в качестве динамической контрастной метки или редокс-зонда. 5. Разработаны две методики для иммобилизации молекул белка на поверхности металлических частиц, а также на поверхности оксидов. Для иммобилизации на поверхности золота и серебра используется модификация поверхности меркаптокарбоновыми кислотами с последующей активацией карбоксильных групп и пришивкой белков, содержащих доступную аминогруппу, путем ковалетного связывания с образованием амидной связи. В случае алюминия или оксидов (ITO, стекло) возможно использование двухстадийного процесса с модификацией поверхности (3-глицидилоксипропил)триметоксисиланом и последующим связыванием белка через образование аминной связи. 6. Созданы и изучены новые гибридные бионаносистемы на основе наноструктур алюминия, серебра и золота и зеленого флуоресцентного белка EGFP, иммобилизованного на их поверхности. Получены данные по кинетике флуоресценции в данных системах. Установлена величина усиления флуоресценции, определено время жизни возбужденного состояния. 7. В дополнение к плану работ на 2018 год проведена модернизация и тестирование фемтосекундной лазерной абсорбционной установки, подбор и оптимизация условий эксперимента. Спроектирована система прокачки образца через ячейку фемтосекундного спектрометра, основанная на насосе объёмного действия, позволяющая избежать проблем с разрушением белка в ходе эксперимента. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Механизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основе |
Результаты этапа: В 2019 году решены следующие поставленные в плане работ задачи: 1. Разработана теория фотоиндуцированного переноса электрона с флуоресцентных белков, содержащих анионные хромофорные группы, на молекулы окислителя при облучении в видимом диапазоне. 2. Проведен расчет и анализ вибронной структуры полос в спектрах поглощения зеленого флуоресцентного белка и расчет эффективности фотоиндуцированного переноса электрона из первого электронно-возбужденного состояния. Разработанная и подтвержденная экспериментальными данными теория фотоиндуцированного переноса электрона в флуоресцентных белках позволяет разработать подходы к управлению фотооткликом этих систем при селективном возбуждении высокочастотных колебательных мод сопряженной системы хромофорной группы. 3. Разработана методика расчёта вибронной структуры спектров однофотонного и двухфотонного поглощения на основе квантово-химических данных в рамках приближения Франка-Кондона 4. Рассчитаны сечения двухфотонного поглощения ряда зеленых и красных флуоресцентных белков. Значения сечений для различных форм флуоресцентных белков на три порядка превосходят таковые для формальдегида, что позволяет использовать двухфотонное возбуждение не только известных зеленых форм флуоресцентных белков, но и фотоконвертированных красных форм этих белков в оптической микроскопии живых клеток. Зависимость сечения двухфотонного поглощения от разницы средних дипольных моментов в двух электронных состояниях, между которыми осуществляется переход, можно использовать как индикатор полярности белкового окружения хромофорной группы. 5. Исследован фотоотклик протонированного хромофора зеленого флуоресцентного белка в комплексах с двумя различными типами акцепторов протона (трихлорацетата и иодид-иона). Установлено, что ближайшее окружение хромофора, в том числе белковое, может оказывать влияние на динамику фотоиндуцированного переноса протона в возбужденном состоянии. С помощью модификации первичного акцептора протона в белке можно варьировать топографию сильно ангармонической поверхности возбужденного состояния и, как следствие, квантово-механическую вероятность локализации протона на хромофоре, в том числе, в зависимости от энергии возбуждающего кванта света. 6. Установлено, что на эффективность усиления флуоресценции в гибридных бионаносистемах влияет степень спектрального перекрывания полосы поверхностно-плазмонного резонанса металлической наноструктуры и пиков поглощения/испускания флуоресцентного белка. Показано, что интенсивность флуоресценции зеленого флуоресцентного белка на поверхности перфорированных пленок серебра может повышаться до 5.5 раз, при этом более чем на порядок снижается время жизни возбужденного состояния. Предложен механизм, включающий перенос энергии между молекулярной и плазмонной подсистемами, предполагающий, что плазмонная подсистема выполняет роль наноантенны в процессах поглощения и испускания фотона. На основании данных численного моделирования установлено, что константа скорости испускания при двухфотонном возбуждении вблизи плазмонной наночастицы может быть повышена на три порядка, при этом максимальный эффект достигается при удалении молекулы белка на расстояние 10±5 нм от поверхности наночастицы. В 2019 году результаты проекта опубликованы в 5 статьях, индексируемых в международных базах данных Web Of Science и Scopus, две из которых входят в Q1. Одна из статей опубликована в журнале Nature Communications. Три статьи подготовлены к публикации. Результаты проекта представлены на 12 конференциях: в виде 1 пленарного, 3 приглашенных, 6 устных и 2 стендовых докладов на международных конференциях и конференциях молодых ученых. | ||
4 | 1 июня 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Механизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основе |
Результаты этапа: В проекте разработаны методы расчёта вибронной структуры полос в спектрах двухфотонного поглощения хромофорных групп фотоактивных белков с выходом за рамки приближения Франка-Кондона и с учетом термического заселения начальных колебательных уровней в рамках стационарного и нестационарного формализма. В рамках временного формализма была реализована возможность рассчитывать абсолютные сечения двухфотонного поглощения с учетом вибронной структуры в франк-кондоновском и герцберг-теллеровском приближении. В рамках стационарного формализма для переходов в первое возбужденное состояние впервые разработан подход, позволяющий рассчитывать вероятности вибронных переходов при двухфотонном возбуждении с использованием двухуровневой модели с учетом вибронных взаимодействий и термического заселения начальных колебательных уровней. Преимущество данной модели заключается в возможности описании вероятности двухфотонного перехода в терминах дипольного момента перехода и разности средних дипольных моментов в основном и возбужденном состоянии, а также их производных по колебательным смещениям вдоль нормальных мод. Эти величины могут быть рассчитаны с использованием неэмпирических методов высокого уровня точности, в том числе с помощью инвариантной многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений. Данная модель также допускает обобщение на случай явного учета ангармонических мод большой амплитуды. Двухуровневая модель позволяет анализировать колебательные моды, возбуждение которых способствует увеличению вероятности двухфотонного перехода. Впервые показано, что колебательные моды, при которых происходит существенное изменение среднего дипольного момента в плоскости сопряжения хромофорных групп в основном электронном состоянии (полносимметричные моды, активные в ИК спектроскопии), наиболее сильно связаны с двухфотонным переходом. Это позволит увеличить сечение двухфотонного поглощения при селективном возбуждении определенных колебательных мод. С помощью реализованного в рамках проекта временного формализма получены новые данные о фотофизических свойствах заряженных хромофорных групп флуоресцентных белков при нелинейном двухфотонном возбуждении. На основании анализа вибронной структуры полос в спектрах однофотонного и двухфотонного поглощения установлена причина различного положения максимумов поглощения в этих спектрах и впервые установлена связь колебательных мод, активных при возбуждении в линейном и нелинейном режиме, с модами, связанными с фотооткликом депротонированной хромофорной группы зеленого флуоресцентного белка – фотоиндуцированным переносом электрона из возбужденного состояния в присутствии окислителей. В проекте установлен механизм безызлучательной релаксации ряда модифицированных хромофоров фотоактивных биомолекулярных систем в газовой фазе – хромофорных групп ретиналь-содержащих белков с заблокированным внутримолекулярным вращением по определенным двойным связям и флуоресцентных белков, энергетический спектр которых содержит несколько электронно-возбужденных состояний в видимом диапазоне, включая низколежащее оптически темное состояние. В совместных теоретико-экспериментальных работах определены средние времена жизни этих хромофоров в возбужденных состояниях. Предложены пути управления сверхбыстрой фотоиндуцированной динамикой в таких системах с помощью химических модификаций и различного микроокружения. Исследованы процессы релаксации возбужденных состояний депротонированного хромофора зеленого флуоресцентного белка при линейном и нелинейном возбуждении в растворе, которые приводят к фотоионизации. Предложена методика оценки вертикальной энергии фотоионизации заряженных хромофоров в водном окружении, основанная на разработанном в проекте гибридном методе для получения равновесной геометрической конфигурации модельной системы большого размера с явным учетом вплоть до 19,000 молекул воды и метода XMCQDPT2/EFP. В совместных теоретико-экспериментальных работах впервые определены четыре первых вертикальных потенциала ионизации депротонированного хромофора зеленого флуоресцентного белка в водном растворе. Показано, что фотоиндуцированный срыв электрона происходит по механизму резонансной многофотонной ионизации через образование промежуточных электронно-возбужденных состояний аниона в растворе. Полученные результаты свидетельствуют о важной роли электронно-возбужденных состояний сольватированного хромофора в процессе фотоиндуцированного переноса электрона, в том числе на растворитель. В 2020 году в рамках проекта синтезированы наночастицы серебра для последующего формирования на их основе гибридных бионаносистем с флуоресцентными белками. Наночастицы имеют форму нанобрусков; их размером можно управлять путем изменения условий синтеза. Кроме того, по результатам компьютерного моделирования для усиления флуоресценции при двухфотонном возбуждении предложено использовать наночастицы золота с формой полумесяца. Проведено численное моделирование констант скоростей излучательных процессов релаксации гибридной бионаносистемы, состоящей из молекул зеленого флуоресцентного белка EGFP на поверхности перфорированной тонкой пленки серебра, нанесенной на подложку из стекла в водной среде. Установлено, что наибольшее усиление флуоресценции наблюдается для молекул, расположенных на стекле вблизи нижней границы наноотверстий, при этом наибольший вклад в усиление составляет увеличение скорости возбуждения за счет локального усиления электрического поля при возбуждении плазмонного резонанса в пленке серебра. Полученные данные о времени жизни флуоресценции позволили соотнести два характеристических времени, наблюдавшихся в эксперименте, с молекулами, адсорбированными на металле и внутри наноотверстий. Экспериментально созданы гибридные наносистемы, включающие модифицированный хромофор зеленого флуоресцентного белка NEt2-BF2-BDI, диспергированный в тонкой пленке ПММА на поверхности перфорированной тонкой пленки серебра. Изучены процессы релаксации возбужденного состояния модифицированного хромофора зеленого флуоресцентного белка NEt2-BF2-BDI в полимерной матрице на поверхности перфорированных пленок серебра. Установлено, что интенсивность флуоресценции увеличивается в 6 раз по сравнению с пленкой ПММА без серебра, при этом время жизни возбужденного состояния уменьшается в 1.5 раза. В 2020 году результаты проекта опубликованы в 1 статье, индексируемой в международных базах данных Web Of Science и Scopus, и подготовлено 4 статьи, которые планируется опубликовать в высокорейтинговых журналах, индексируемых в международных базах данных Web Of Science и Scopus. Одна из этих статей сейчас находится в редакции журнала Nature Communications и успешно прошла первый этап рецензирования. Результаты проекта представлены на 7 международных конференциях. | ||
5 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Механизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основе |
Результаты этапа: В проекте разработан и реализован метод расчета электронно-колебательных спектров фотоактивных биомолекулярных систем и их хромофорных групп при двухфотонном переходе в первое возбужденное состояние в рамках двухуровневой модели с учетом вибронных взаимодействий и термического заселения начальных колебательных уровней. Метод реализован в рамках двух формализмов – стационарного и временного, демонстрирующих идентичные результаты. Влияние белкового окружения моделируется в рамках метода потенциалов эффективных фрагментов, позволяющего учитывать поляризацию волновой функции основного и возбужденного состояний под действием поля, создаваемого молекулярным окружением. Описание квантовой подсистемы проводится c использованием инвариантной многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений XMCQDPT2. Проведено моделирование и анализ структуры полос в спектрах двухфотонного поглощения флуоресцентного белка EGFP и проведено сопоставление с формой полос в спектрах белка EGFP при однофотонном возбуждении. Показано, что колебательные моды, при которых происходит существенное изменение среднего дипольного момента в плоскости сопряжения хромофорной группы в основном электронном состоянии, наиболее сильно связаны с двухфотонным переходом в белке EGFP. Активность этих мод приводит к сдвигу максимума полосы поглощения в коротковолновую область спектра по сравнению с максимумом поглощения при однофотонном поглощении. Важно отметить, что наиболее интересным следствием высокой активности валентного колебания двойных связей сопряженной системы депротонированного хромофора EGFP при двухфотонном возбуждении является возможность использования нелинейного режима возбуждения для повышения эффективности окислительной фотоконверсии белка EGFP в присутствии окислителей, которая сопровождается переходом зеленой формы в красную. Установлен механизм термической изомеризации хромофорной группы белков зрительной рецепции с учетом неадиабатического взаимодействия основного и первого возбужденного электронных состояний. Получены наиболее точные оценки барьеров термической изомеризации на сегодняшний день и рассчитана эффективная константа скорости с учетом двух каналов термической изомеризации – радикального и ионного. Впервые показано, что характеристическое время изомеризации в газовой фазе сопоставимо со временем в белковом окружении. Также разработана теоретическая модель для интерпретации экспериментальных данных по определению энергии активации мономолекулярных реакций в газовой фазе. С помощью предложенной модели показано хорошее соответствие рассчитанных барьеров термической изомеризации изолированного протонированного основания Шиффа ретиналя с экспериментальными данными. Исследовано влияние химических модификаций и белкового окружения на фотоиндуцированную динамику протонированного основания Шиффа ретиналя. Введение химической модификации, блокирующей внутримолекулярное вращение по связи С11-С12 в локированной хромофорной группе ретиналь-содержащих белков, позволяет не только на порядок снизить время жизни возбужденного состояния за счет значительного понижения энергетического барьера реакции вследствие предварительного скручивании полиеновой цепи ретиналя по связи С9-С10 в основном состоянии, но и открывает путь для управления механическим фотооткликом хромофора, приводя к направленному вращению при фотоизомеризации. В рамках проекта впервые показано, что модифицированный аналог хромофорной группы ретиналь-содержащих белков является перспективным для создания молекулярного мотора. Установлено, что белковое окружение аналогичным образом влияет на фотоиндуцированную динамику хромофорной группы. Скручивание полиеновой цепи ретиналя в основном электронном состоянии за счет взаимодействий с белковым окружением приводит к возбуждению определенных колебательных мод хромофора уже на ранних этапах динамики, что способствует протеканию реакции фотоизомеризации и обеспечивает ее селективность в родопсинах I и II типов. При этом эффективность обратных реакций фотоизомеризации в родопсинах I и II типа сильно различается. [J. Am. Chem. Soc. 2022] Проведены совместные экспериментальные и теоретические исследования фотоиндуцированной динамики релаксации возбужденных состояний в модифицированных аналогах хромофора зеленого флуоресцентного белка. Показано, что биомиметики аниона хромофора зеленого флуоресцентного белка, дифтор- и диметоксизамещенные хромофоры, обладающие флуоресцентными свойствами при связывании с определенными последовательностями РНК, являются более устойчивыми к фотоокислению. В диметоксизамещенных производных одним из важных каналов безызлучательной релаксации становится канал внутренней конверсии, который связан с наличием долгоживущего фешбаховского резонанса, энергетически хорошо отделенного от резонанса формы. [PCCP 2021] С помощью разработанного в рамках проекта комбинированного метода расчёта потенциалов ионизации биомолекулярных систем в конденсированной фазе на основе многоконфигурационной теории возмущений рассчитаны значения первого и второго потенциалов ионизации ряда биологических хромофоров в водном окружении, которые позволяют интерпретировать экспериментальные фотоэлектронные спектры, полученные при многофотонной ионизации. Установлена роль высоковозбужденных электронных состояний сольватированного хромофора GFP в процессах фотопереноса электрона в конденсированной фазе. Показано, что главную роль в фотоиндуцированном переносе электрона на растворитель играют короткоживущие резонансы формы, что подтверждает результаты и выводы, сделанные нами в рамках проекта при изучении электронной структуры изолированного хромофора зеленого флуоресцентного белка и его биомиметиков. [Nature Communications 2022] Исследовано влияние плазмонной наноструктуры – перфорированной тонкой пленки серебра на распределение времен жизни возбужденного состояния модифицированного хромофора зеленого флуоресцентного белка NEt2-BF2-BDI, диспергированного в тонкой пленке поли-метилметакрилата. Установлено, что в присутствии сплошной пленки серебра максимум распределения сдвигается от 3.7 нс в сторону значений времени жизни порядка 2.1 нс, что обусловлено переносом энергии возбуждения на металл. При появлении отверстий в пленке наблюдается увеличение ширины распределения за счет большей гетерогенности системы, при этом положение максимума остается практически неизменным. [J. Phys. Conf. Ser. 2021] Определены основные закономерности усиления флуоресценции в гибридных бионаносистемах при двухфотонном возбуждении. Установлено, что на эффективность усиления флуоресценции в первую очередь влияет степень усиления локального электромагнитного поля в точке, где находится молекула флуорофора, при длине волны, соответствующей полосе его двухфотонного поглощения, что обусловлено квадратичной зависимостью от интенсивности поля. Наличие спектрального перекрывания между полосой испускания флуорофора и полосой квадрупольной плазмонной моды за счет повышения константы скорости вынужденного испускания может приводить к дополнительному усилению флуоресценции при условии сохранения напряженности электрического поля на длине волны двухфотонного возбуждения. Показано, что в гибридной системе, состоящей из наночастицы серебра с формой квадратного параллелепипеда (220х63х63 нм) и флуоресцентного белка NirFP (eqFP670), расположенного вблизи вершины наночастицы, при двухфотонном возбуждении возможно достижение коэффициента усиления флуоресценции, достигающего трех порядков. [Nanomaterials 2021] |
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".