Механизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основеНИР

Mechanisms of mode-selective and plasmon-enhanced photoresponse of photoactive proteins

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# 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]

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".