Аннотация результатов, полученных в 2020 году
(1) По результатам моделирования свойств фотоактивного GFP-подобного белка Dreiklang с использованием методов расчетов электронной структуры высокого уровня точности и методов молекулярной динамики установлены молекулярные детали фотоцикла и фотоактивации белка. Характеризованы возбужденные состояния флуоресцентной (ON) и темной (OFF) форм Dreiklang. Важным результатом исследования является обнаружение низколежащих возбужденных состояний формы ON, относящихся к состояниям с переносом заряда. Эти состояния являются практически изоэнергетическими с возбужденными состояниями, отвечающими светлым переходам. Заселение состояний с переносом заряда инициирует цепь реакций, которая приводит к образованию формы OFF с гидратированным хромофором. Результаты работы опубликованы в виде препринта в ChemRxiv 10.10.2020 [Sen, Tirthendu; Ma, Yingying; Polyakov, Igor; Grigorenko, Bella; Nemukhin, Alexander; Krylov, Anna I. (2020): Interplay Between Locally Excited and Charge Transfer States Governs the Photoswitching Mechanism in Fluorescent Protein Dreiklang. ChemRxiv. Preprint. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.13077374.v1]. (2) В рамках подходов количественных связей структура – свойство (QSPR) предложена и апробирована модель для предсказания спектральной настройки GFP-подобных флуоресцентных белков голубых, зеленых, оранжевых и красных серий, в которых хромофоры образуют π-стэкинговые комплексы с аминокислотными остатками тирозина, фенилаланина и гистидина. Построены тренировочные наборы π-стэкинговых комплексов для четырех хромофоров с различными замещенными бензолами и имидазолами и проведены тесты с использованием вариации дипольного момента при возбуждении (DMV) как дескриптора при оценках вертикальных энергий возбуждения в подобных системах. По результатам расчетов показано, что использование дескриптора DMV, рассчитанного из электронных плотностей основного и возбужденного состояний, полученных методом sa2-CASSCF(12/12)/cc-pVDZ, позволяет предсказывать энергии возбуждения S0,min–S1 в π-стэкинговых комплексах с погрешностями не более 0,1 эВ. Таким образом, модель является практически полезной при разработках эффективных флуоресцентных маркеров для визуализации в живых системах. Результаты приведены в статье [Khrenova M.G., Mulashkin F.D., Bulavko E.S., Zakharova T.M., Nemukhin A.V., «Dipole Moment Variation Clears up Electronic Excitations in the π-Stacked Complexes of Fluorescent Protein Chromophores», принятой для публикации в журнале Journal of Chemical Information and Modeling (издательство American Chemical Society, Q1, IF= 4,549; https://doi.org/10.1021/acs.jcim.0c01028]. (3) Методами молекулярного моделирования построены модельные системы нативных флуоресцентных белков Keima и eqFP670 и белков с предложенными точечными заменами аминокислотных остатков так, чтобы хромофор был заключен в комплекс по мотивам «трёхслойного сэндвича» (triple-decker motif), и π-электронная система органического хромофора находилась в стэкинговом взаимодействии с параллельно расположенными ароматическими группами от окружающих с двух сторон хромофор аминокислотными остатками тирозина и аргинина. Методами КМ/ММ рассчитаны равновесные геометрические конфигурации всех модельных систем в основном электронном состоянии. Для вариантов Keima прямые квантово-химические расчеты методом XMCQDPT2//sa-CASSCF(16/12)/cc-pVDZ показывают значительный сдвиг в красную область спектра от 585 нм (экспериментальное значение 576 нм) до 682 нм. Для вариантов eqFP670 оценки по модели «количественных связей структура – свойство» (QSPR) с использованием вариации дипольного момента при возбуждении как дескриптора также показывают тенденцию к сдвигу полос в красную сторону. (4) Результаты моделирования методами квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) свойств зеленого флуоресцентного белка (GFP) - родоначальника биомаркеров для визуализации молекулярных процессов в живых системах, подведены в главе в коллективной монографии серии Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics издательства Springer. В главе всесторонне представлены результаты применения оригинального метода КМ/ММ с конформационно-подвижными эффективными фрагментами для моделирования свойств GFP – от реакции автокаталического формирования хромофора до тушения флуоресценции. Монография опубликована в октябре 2020 г. [Nemukhin A.V., Grigorenko B.L. «QM/MM Approaches Shed Light on GFP Puzzles», In Andruniów T., Olivucci M. (eds) QM/MM Studies of Light-responsive Biological Systems. Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics, V. 31, P. 271-292 (2020); Издательство Springer, Cham; ISBN 978-3-030-57720-9; https://doi.org/10.1007/978-3-030-57721-6_6]. (5) Методами молекулярного моделирования впервые построены полноатомные трехмерные модели новых обратимо переключаемых флавин-содержащих белков с LOV-доменами (Light, Oxygen, Voltage) rsLOV1 и rsLOV2, для которых известны первичные последовательности аминокислотных остатков, но не пространственные структуры. При построении моделей rsLOV1 и rsLOV2 за основу взята структура PDB ID: 2MWG фоторецепторного белка YtvA и выполнены необходимые точечные замены аминокислотных остатков. Построенные модели белков заключены в водные оболочки, для которых выполнены расчеты молекулярно-динамических траекторий и проведен динамический сетевой анализ. Показано, что динамические свойства нативной и мутантных систем различаются, прежде всего, в отношении Jα спирали, ответственной за передачу сигнала при фотовозбуждении. Результаты работы изложены в статье [Метелешко Ю.И., Хренова М.Г., Немухин А.В., «Компьютерное моделирование структур обратимо переключаемых флуоресцентных белков с LOV-доменами», принятой для публикации в журнале Кристаллография в 2021 г.]. (6) С использованием методов квантовой химии и квантовой механики/молекулярной механики исследованы свойства флуоресцентного белка IFP1.4 на основе бактериофитохрома DrBphP. Модельная система была построена для анализа различных состояний протонирования хромофора биливердина (BV) в белке, соответствующем красной (Pr) форме. Перемещения протонов с пиррольных колец BV на подходящий акцептор проводились в пределах системы. Показано, что депротонирование BV в основном состоянии требует затраты энергии порядка 5 ккал/моль или больше и сопровождается значительными сдвигами (~ 50-100 нм) в положении полос поглощения. Впервые определены положения точек S1/S0 конических пересечений минимальной энергии (MECI), что позволяет характеризовать пути дезактивации IFP1.4. Найденная точка конического пересечения, лежащая ниже положения минимума энергии на пологой поверхности возбужденного состояния S1 демонстрирует скручивание пиррольного кольца D, которое потенциально может приводить к изомеризации Pr → Pfr; однако этот процесс в IFP1.4 затруднен из-за стерических препятствий.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
(1) По результатам молекулярного моделирования структур и спектров возбуждения обратимо-переключаемого GFP–подобного флуоресцентного белка rsEGFP2 методами квантовой химии и КМ/ММ показано, что и флуоресцентное (ON), и неактивное (OFF) состояния белка rsEGFP2 характеризуются совокупностью структур с близкими энергиями в пределах 2-3 ккал/моль. Эти структуры различаются конформациями и состояниями протонирования хромофора, а также конформациями и состояниями протонирования аминокислотных остатков His149 и Glu223. Результаты моделирования объясняют наблюдаемую зависимость от pH спектров поглощения в ON-состоянии белка. Важным результатом работы является заключение, что за цис-транс превращение хромофора при ON-OFF фотопереключении может отвечать катионная форма хромофора, что необычно для флуоресцентных GFP-подобных белков. Выполненные оригинальные расчеты молекулярно-динамических траекторий с потенциалами КМ/ММ для участка OFF → ON показывают, что на пути от белка со скрученным транс-хромофором (OFF) к белку с плоским цис-хромофором (ON) происходят существенные конформационные изменения с аминокислотными остатками Glu223 и His149 в хромофор-содержащей области. Grigorenko B.L., Domratcheva T., Polyakov I.V., Nemukhin A.V. «Protonation States of Molecular Groups in the Chromophore-Binding Site Modulate Properties of the Reversibly Switchable Fluorescent Protein rsEGFP2», Journal of Physical Chemistry Letters (издательство American Chemical Society, Q1, IF=6,475), 2021, V. 12. #34. P. 8263-8271; DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c02415 (опубликовано: August 23, 2021). https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.1c02415 (2) Доведены до публикации результаты моделирования структур новых обратимо-перключаемых флавин-содержащих белков rsLOV1 и rsLOV2, построенных по первичным последовательностям. Метелешко Ю.И., Хренова М.Г., Немухин А.В. «Компьютерное моделирование структур обратимо переключаемых флуоресцентных белков с LOV доменами» Кристаллография (издательство «Наука», Q4, IF=0,735), 2021, Т.66, №5, С.789-792; DOI: 10.31857/S0023476121050143 (опубликовано: сентябрь, 2021). https://www.elibrary.ru/item.asp?doi=10.31857/S0023476121050143 (3) Завершены и доведены до публикации начатые на первом этапе исследования флуоресцентного белка в ближней инфракрасной области IFP1.4, сконструированного из хромофор-содержащего домена бактериофитохрома. Grigorenko B.L., Polyakov I.V., Nemukhin A.V. «Modeling photophysical properties of the bacteriophytochrome-based fluorescent protein IFP1.4», The Journal of Chemical Physics (издательство American Institute of Physics, Q1, IF= 3,48), 2021, V. 154, P. 065101; DOI: 10.1063/5.0026475 (опубликовано: February 08, 2021). https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0026475 Статья включена в специальную коллекцию журнала The Journal of Chemical Physics, отмечающую вклад женщин (основной соавтор статьи – Григоренко Б.Л.) в исследования по химической физике и физической химии. https://aip.scitation.org/toc/jcp/collection/10.1063/jcp.2021.WCP2020.issue-1?utm_source=AIP%20Publishing&utm_medium=email&utm_campaign=12738969_JCP_%20Special%20Collection%20in%20Honor%20of%20Women%20in%20Chemical%20Physics%20and%20Physical%20Chemistry_Content_Oct%202021&dm_t=0,0,0,0,0&dm_i=1XPS,7L1G9,2YBP7F,UVOL7,1 (4) Завершены и доведены до публикации начатые на первом этапе исследования фотопереключаемого флуоресцентного белка Dreiklang. Sen T., Ma Y., Polyakov I.V., Grigorenko B.L., Nemukhin A.V., Krylov A.I., “Interplay Between Locally Excited and Charge Transfer States Governs the Photoswitching Mechanism in Fluorescent Protein Dreiklang”, Journal of Physical Chemistry B (издательство American Chemical Society, Q1, IF=2.991), 2021, V. 125, #3, P. 757-770; DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c09221 (опубликовано: January 07, 2021). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.0c09221 (5) Развита практически полезная модель для спектральной настройки флуоресцентных белков семейства GFP, включающих красные белки eqFP670, Keima, mRoja. Модель основана на использовании физически обоснованной корреляции между энергией возбуждения флуоресцентного белка и величиной вариации дипольного момента перехода при возбуждении. Показано, что для адекватных расчетов величин вариации дипольного момента необходимо построить структуры белковых систем методами КМ/ММ и в полученных геометрических конфигурациях рассчитать электронные плотности в основном и возбужденном состояниях. Показано, что использование теории TDDFT с функционалами CAM-B3LYP, BHHLYP и M06-2X и базисными наборами cc-pvdz позволяет добиться хорошей корреляции – средне-квадратичная ошибка не превышает 0,01 эВ. Khrenova M.G., Mulashkin F.D., Nemukhin A.V. «Modeling Spectral Tuning in Red Fluorescent Proteins Using the Dipole Moment Variation upon Excitation», Journal of Chemical Information and Modeling (издательство American Chemical Society, Q1, IF=4,956), 2021, V. 61, #10, P. 5125–5132; DOI: 10.1021/acs.jcim.1c00981 (опубликовано: October 3, 2021). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jcim.1c00981 6) Опубликована обзорная статья (Invited Review) «Перспективы многомасштабного моделирования фоторецепторных белков» автортитетного международного коллектива с соавторством участника проекта, в которой, в частности, отражены результаты работ по данному проекту. M.A. Mroginski, S. Adam, G.S. Amoyal, A. Barnoy, A.N. Bondar, V.A. Borin, J.R. Church, T. Domratcheva, B. Ensing, F. Fanelli, N. Ferré, O. Filiba, L. Pedraza-Gonzaleź, Ronald Gonzaleź, C.E. Gonzalez-Espinozá, R.K. Kar, L. Kemmler, S.S. Kim, J. Kongsted, A.I. Krylov, Y. Lahav, M. Lazaratos, Q.N. Eddin, I. Navizet, A. Nemukhin, M. Olivucci, J.M.H. Olsen, A. P. de Alba Ort, E. Pieri, A.G. Rao, Y. M. Rhee, N. Ricardì, S. Sen, I.A. Solov’yov, L. De Vico, T.A. Wesolowski, C.Wiebeler, X. Yang, I. Schapiro. «Frontiers in multiscale modeling of photoreceptor proteins». Photochemistry and Photobiology (издательство Wiley-Blackwell, USA, Q1, IF=3,421), 2021, 97, 243-269; DOI: 10.1111/php.13372 (опубликовано: December 28, 2020) https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/php.13372