Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения работ по проекту в 2017 году были установлены молекулярные механизмы излучательной и безызлучательной дезактивации электронно-возбужденных хромофорных групп зеленого флуоресцентного белка, широко используемого в качестве биомаркеров для визуализации внутриклеточных процессов, и белков зрительной рецепции. Полученные результаты впервые свидетельствуют о наличии медленного (наносекундного) излучательного канала дезактивации у изолированного анионного хромофора зеленого флуоресцентного белка и позволяют сделать вывод об усилении флуоресцентных свойств хромофорной группы в этих белках. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Американского химического общества [J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8766-8771] и освещены в СМИ: https://indicator.ru/news/2017/09/08/zelenyj-fluorescentnyj-belok/; https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-09/lmsu-cft090617.php; http://www.sciencenewsline.com/news/2017090616460039.html; http://www.msu.ru/science/main_themes/khimiki-iz-mgu-obyasnili-prirodu-izlucheniya-zelenogo-fluorestsentnogo-belka.html. Белки семейства зеленого флуоресцентного белка широко используются в качестве биомаркеров, с помощью которых можно следить за различными биологическими процессами, происходящими в клетках живых организмов. Широкое применение в молекулярной и клеточной биологии эти белки получили благодаря своим уникальным флуоресцентным свойствам – способности светиться при поглощении кванта света определенной длины волны. В свою очередь, за поглощение света в белке отвечает лишь небольшой фрагмент, образующийся из трех аминокислотных остатков, называемый хромофорной группой. До настоящего времени считалось, что именно белковое окружение, внутри которого находится хромофор, отвечает за его способность испускать свет при облучении, тогда как при денатурации белка изолированный хромофор теряет свои флуоресцентные свойства. Впервые в совместной работе теоретической группы химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и экспериментальной группы физического факультета Орхусского университета (Дания) 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 в работе новые данные о механизмах излучательного и сверхбыстрого безызлучательного каналов релаксации хромофора зеленого флуоресцентного белка из возбужденного электронного состояния открывают возможность управления его фотооткликом на временном диапазоне, охватывающем три порядка, – от пикосекунд до наносекунд. В белке взаимодействие хромофорной группы с ближайшим белковым окружением приводит к тому, что излучательный канал дезактивации становится доминирующим уже при комнатной температуре. Таким образом, роль белкового окружения сводится к усилению флуоресцентных свойств хромофорной группы зеленого флуоресцентного белка. 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. Установлена зависимость константы скорости фотоизомеризации от температуры. 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 физического факультета Орхусского университета (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. С помощью разработанного в проекте 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. Показано, что ширина спектра и его форма существенным образом зависит от температуры. 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. Проведены квантовохимические расчеты с использованием инвариантного 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]. В 2017 году также проводили выбор формы плазмонных наночастиц для создания гибридных бионаносистем на основе плазмонных наноструктур и фотоактивных белков. Численно были изучены наночастицы золота с формой кольца, диска, полумесяца, диска с двумя соприкасающимися отверстиями и асимметричного полумесяца с размерами 200-300 нм. Разработали методику экспериментального получения золотых частиц с формой асимметричного полумесяца методом коллоидной литографии. Наблюдаемые пики в спектре экстинкции соответствуют разным модам локализованного плазмонного резонанса. С помощью численного моделирования было проведено отнесение пиков и визуализация формы плазмонных мод. Достигнуто хорошее согласие рассчитанного спектра с экспериментальным. В проекте получены новые данные, направленные на решение фундаментальной проблемы по установлению молекулярных механизмов функционирования живых систем. Показано, что ключевым моментом в изучении согласованных механизмов действия сложных светочувствительных биомолекулярных систем является понимание свойств их отдельных изолированных «блоков» – хромофорных групп, которые и обусловливают чувствительность фотоактивных биосистем к свету. Новые знания о механизмах действия, полученные на сверхкоротких временах, сравнимых с характеристическими временами движения ядер в молекуле, приводят к переосмыслению устоявшихся парадигм в науке, например, представлений о роли белкового окружения в механизмах действия фотоактивных белков.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
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. В отличие от статистически равновесной заселенности колебательных уровней при фиксированной температуре, разработанный в рамках проекта метод расчета неравновесной заселенности при фотовозбуждении позволяет моделировать резонансный фотоотклик хромофорных групп в различном окружении при селективном возбуждении колебательных мод (при условии, что характеристические времена молекулярного отклика превосходят время колебательной релаксации в электронно-возбужденном состоянии). 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. 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, соответствует 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. 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. 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. 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. В 2018 году результаты проекта опубликованы в 4 статьях, индексируемых в международных базах данных Web Of Science и Scopus, две из которых входят в Q1. Финальная версия одной статьи находится на рассмотрении в редакции журнала Nature Communications после положительного отзыва рецензентов. Результаты проекта представлены на 9 конференциях в виде устных докладов на международных конференциях основным исполнителем и устных и стендовых докладов студентами и аспирантами на конференциях молодых ученых.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В проекте разработан теоретический метод определения наличия и оценки эффективности в зависимости от длины волны возбуждения активных колебательных мод, связанных с фотоиндуцированным переносом электрона из возбужденных состояний анионных хромофоров в фотоактивных белках. С помощью предложенного метода рассчитана эффективность фотоиндуцированного переноса электрона из возбужденного состояния зеленого флуоресцентного белка S65T GFP и проведена оценка константы скорости для переноса электрона из первого колебательного уровня электронно-возбужденного состояния. Полученные на втором году проекта экспериментальные результаты по фотоконверсии зеленого флуоресцентного белка в присутствии окислителей при облучении лазерными импульсами с различными длинами волн полностью подтверждают данные расчетов и предложенный механизм колебательного переноса электрона из низшего электронно-возбужденного состояния хромофорной группы в белке на молекулы окислителя. 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. Разработана методика расчёта вибронной структуры спектров двухфотонного поглощения на основе квантово-химических данных в рамках приближения Франка-Кондона. В проекте были рассчитаны сечения двухфотонного поглощения ряда зеленых и красных флуоресцентных белков. Равновесные геометрические конфигурации активных центров этих белков были получены методом КМ/ММ в варианте PBE0/aug-cc-pVDZ//CHARMM. Расчет сечения двухфотонного поглощения проводился на основе теории квадратичного отклика с использованием метода TDDFT. Рассчитанные 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. В рамках проекта был исследован фотоотклик протонированного хромофора зеленого флуоресцентного белка в комплексах с двумя различными типами акцепторов протона (трихлорацетата и иодид-иона). С помощью метода RI-XMCQDPT2 исследована топография поверхности потенциальной энергии первого возбужденного состояния в этих комплексах вдоль координаты реакции переноса протона. Установлено, что фотоиндуцированный перенос протона происходит в возбужденном состоянии и является безбарьерным в случае комплекса с ацетатом, в то время как в случае комплекса с иодид-ионом поверхность становится пологой, но наиболее стабильной формой остается протонированная форма хромофора. Расчет колебательных уровней и волновых функций в одномерном потенциале вдоль координаты переноса протона в обоих случаях позволил определить квантово-механическую вероятность нахождения протона на хромофоре и акцепторе в зависимости от колебательного уровня и соответствующей энергии возбуждения. Рассчитанное соотношение двух форм хромофора зеленого флуоресцентного белка в возбужденном состоянии хорошо согласуется с экспериментальными данными и позволяет объяснить зависимость отношения двух форм от длины волны возбуждения. 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. В 2019 году исследовали гибридные бионаносистемы, представляющие собой монослои молекул зеленого флуоресцентного белка, иммобилизованного на поверхности плазмонных наноструктур серебра и алюминия. В ходе выполнения работы были разработаны общие подходы к управлению поглощением и фотооткликом биомолекулярных систем в ближних электромагнитных полях плазмонных наноструктур в гибридных бионаносистемах, заключающиеся в выборе наноструктуры с частотой плазмонного резонанса, соответствующей спектральным свойствам фотоактивной биомолекулы. Показано, что при хорошем спектральном перекрывании полосы плазмонного резонанса наноструктуры и пиков поглощения/испускания флуоресцентного белка возможен перенос энергии между молекулярной и плазмонной подсистемами, что повышает интенсивность флуоресценции до 5.5 раз и более чем на порядок снижает время жизни возбужденного состояния хромофора. Предложен механизм, в котором плазмонная подсистема выполняет роль наноантенны в процессах поглощения и испускания фотона при облучении гибридной системы светом подходящей длины волны. В ходе численных экспериментов на примере дальнего красного флуорецентного белка eqFP670 и золотого нанокольца диаметром 300 нм установлено, что константа скорости испускания флуоресцентных белков при двухфотонном возбуждении может быть повышена на три порядка вблизи плазмонной наночастицы, при этом максимальный эффект достигается при удалении молекул 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. Финальная версия одной из статей находится на рассмотрении в редакции журнале Nanophotonics [IF=6.9]. Две других рукописи будут направлены в редакцию журналов Nature и JPC Lett [IF=7.3] 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.