ИСТИНА

Проект направлен на совместное теоретическое и экспериментальное исследование фотоэлектронных свойств анионов биологических хромофоров в различном окружении при фотовозбуждении в широком диапазоне энергий с целью установления природы и роли ранее не исследованных возбужденных электронных состояний в фотоотклике анионных биомолекулярных систем. Основное внимание в проекте будет уделено роли метастабильных, резонансных состояний в фотоотклике молекулярных анионов, который может приводить как к электронной эмиссии, так и ядерной релаксации в более низколежащие электронные состояния. Важность данного исследования связана с возможностью получить новые данные, необходимые для интерпретации механизмов резонансного фотоиндуцированного переноса электрона в фотоактивных белках. В проекте предполагается изучение свойств анионных хромофоров зеленого флуоресцентного и фотоактивного желтого белков в газовой фазе, в растворе и в белковом окружении с помощью новейших экспериментальных методов фемтосекундной фотоэлектронной спектроскопии хромофоров в газовой фазе и в жидких струях, разрабатываемых британской группой, а также по созданию общего теоретического подхода для моделирования резонансных фотоэлектронных спектров анионов в различном окружении российской группой. В проекте будут получены новые данные о роли электронно-возбужденных состояний анионных хромофоров в резонансном фотоотклике, об энергетическом спектре анионов и природе резонансов, а также динамические характеристики таких фундаментальных процессов, как колебательная релаксация в возбужденных состояниях и внутренняя конверсия в более низколежащие электронные состояния. Особое внимание в проекте будет уделено установлению механизмов регуляции фотоэлектронных свойств хромофоров путем введения химических модификаций в их структуру и прогнозирование свойств модифицированных хромофоров в биологическом окружении.

We aim at getting new insight into the light-induced electron emission properties of anionic biological chromophores over a wide range of excitation energies. The focus will be on elucidating the role of metastable electronically excited states of anions in the electron emission process and on tuning/controlling the efficiency of radical formation by introducing chemical modifications to the structure of chromophores. By combining modern photoelectron spectroscopy techniques with state-of-the-art electronic structure theory methods, we plan to establish general mechanisms of resonant electron emission from biochromophore anions and their tuning through coupling to environment. This is essential for understanding the complex photoinduced electron transfer mechanisms in photoactive proteins.

1. Буден создан общий теоретический подход к моделированию резонансных фотоэлектронных спектров анионов биологических хромофоров в газовой фазе, в растворе и в белке. 2. Будут получены новые экспериментальные и теоретические данные о фотоэлектронных свойствах и электронных спектрах анионов хромофоров зеленого флуоресцентного и фотоактивного желтого белков при возбуждении в широком интервале энергий, а также установлен механизм регуляции фотоэлектронных свойств с помощью введения химических модификаций в структуру хромофоров 3. Будет установлена роль электронных резонансов в механизме фотоэмиссии, определены времена жизни резонансов различной природы в природных и модифицированных хромофорах, а также времена колебательной релаксации и внутренней конверсии из резонансов различной природы. 4. С помощью химически модифицированных хромофоров будут получены новые экспериментальные данные о механизме внутренней конверсии и о времени жизни анионов в первом возбужденном электронном состоянии, играющем важную роль в функционировании белков. 5. Впервые будут проведены эксперименты по фемтосекундной фотоэлектронной спектроскопии биологических хромофоров в растворе и проведена их интерпретация с помощью квантовохимических расчетов. Будут определены вертикальные энергии срыва электрона с электронно-возбужденных хромофоров в среде. Новые данные важны для исследования фотоиндуцированных механизмов переноса электрона в биосистемах.

Коллектив исполнителей имеет большой опыт решения электронной задачи с помощью неэмпирических методов квантовой химии высокого уровня точности, а также моделирования фотоэлектронных и электронно-колебательных спектров анионов биологических хромофоров в изолированном состоянии и в фотоактивных белках.

1. Разработан общий теоретический подход для моделирования фотоэлектронных спектров анионных хромофоров при фотовозбуждении в широком диапазоне энергий, учитывающий наличие двух конкурирующих каналов фотоэмиссии - резонансного и прямого, а также природу резонансов (резонансы формы и фешбаховские резонансы). Метод основан на расчете перекрывания колебательных волновых функций определенного электронного состояния аниона и нейтрального радикала с учетом нестатистической заселенности колебательных уровней в резонансном состоянии. Разработанный метод также позволяет моделировать резонансные фотоэлектронные спектры сольватированных хромофоров и хромофоров в белках. 2. С помощью фотоэлектронной спектроскопии (британская группа проф. Х.Х. Филдинг) и квантовохимических расчетов установлена роль первого возбужденного резонанса формы в механизме фотоэлектронного срыва при возбуждении хромофора зеленого флуоресцентного белка в УФ диапазоне (355-315 нм). Показано, что механизм фотоэлектронной эмиссии включает в себя два канала - прямой и резонансный, при этом наличие молекулярного резонанса формы отвечает за значительное уширение фотоэлектронных спектров при увеличении энергии возбуждения. С помощью разработанного метода определена энергия адиабатического перехода из основного состояния в первый возбужденный резонанс формы аниона хромофора зеленого флуоресцентного белка (348 нм). Этот молекулярный резонанс отвечает за наиболее эффективный срыв электрона при фотовозбуждении хромофора и является важным для изучения механизмов фотоиндуцированного переноса электрона с хромофора в белке на молекулы растворителя. 3. Проведены квантовохимические расчеты структуры, вертикальных энергий возбуждения и отрыва электрона серии модифицированных анионных хромофоров зеленого флуоресцентного белка. Показано, что введение химических модификаций в структуру хромофора значительно влияет на положение первого возбужденного резонанса формы, таким образом позволяя контролировать механизм фотоэлектронной эмиссии при облучении светом с определенной длиной волны. По результатам квантовохимических расчетов энергетических и фотоэлектронных спектров сделан вывод о том, 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. 4. Установлен механизм внутренней конверсии в мета-хромофоре зеленого флуоресцентного белка при электронном возбуждении в УФ диапазоне. Показано, что ключевую роль в фотоэлектронных свойствах этого модифицированного хромофора играет резонанс формы, являющийся третьим синглетным возбужденным состоянием аниона. При возбуждении фешбаховского резонанса (второе возбужденное состояние аниона) доминирующим каналом релаксации является внутренняя конверсия, механизм которой включает прохождение нескольких конических пересечений. Впервые показано образование долгоживущего нефлуоресцирующего интермедиата в первом возбужденном состоянии, среднее время жизни которого составляет порядка 13 нс. 5. Разработан и реализован новый метод расчета положения, ширины и времени жизни электронных резонансов различного типа в изолированных анионах биологических хромофоров. Новый метод основан на комбинации расширенной многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений второго порядка и теории комплексного поглощающего потенциала. Метод реализован в рамках квантовохимического пакета программ Firefly. 6. Разработан метод расчета параметра анизотропии, характеризующего угловое распределение фотоэлектронов, в зависимости от их кинетической энергии. Основным способом оценки параметра анизотропии является расчет матричных элементов перехода электрона из связанного состояния молекулы в уходящую волну. В качестве уходящей волны используется центрально-симметричная волна, отвечающая асимптотике рассеянной волны на кулоновском или нейтральном центре. Разработанный метод позволяет также использовать волну, отвечающую рассеянию электрона на постоянном диполе, что является существенно новым этапом в переходе от примитивного описания процесса рассеяния к точному решению задачи описания несвязанного электрона в присутствии молекулярного остова, обладающего ненулевым дипольным моментом, как в случае хромофора зеленого флуоресцентного белка. 7. Проведены первые эксперименты по фотоэлектронной спектроскопии гидратированных хромофоров в микрожидкостных струях. В качестве тестовой системы использовался фенол, структурный мотив которого входит в большое число тирозин-содержащих природных хромофорных групп, таких как хромофоры зеленого флуоресцентного белка и фотоактивного желтого белка. Установлено, что возбужденные электронные состояния играют ключевую роль при фотоионизации и переносе электрона, как и в случае изолированных хромофоров в газовой фазе. Показано, что вертикальная энергия ионизации из первого возбужденного состояния фенола на 0.8 эВ ниже, чем в газовой фазе.