Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках инвариантного метода многоконфигурационной квазивырожденной теории возмущений второго порядка XMCQDPT2 на основе релаксированной матрицы плотности разработана методика расчета одноэлектронных свойств, необходимых для расчета сечений двухфотонного поглощения. Разработана и апробирована методика расчёта сечений поглощения запутанных пар фотонов на основе данных, получаемых методами квантовой химии. С помощью разработанной методики рассчитаны сечения поглощения запутанных пар фотонов для перехода S0-S2 в белке EGFP и его мутантной форме EGFP T203I. Показано, что увеличение сечения поглощения двух запутанных фотонов в обоих случаях достигает 6 порядков. Из анализа зависимости сечений поглощения запутанных пар фотонов от времени запутывания впервые показано, что характерный период осцилляций усиления поглощения запутанных пар фотонов во флуоресцентном белке EGFP составляет 10 фс. Таким образом, для достижения максимального усиления поглощения в эксперименте с запутанными фотонами необходимо фемтосекундное разрешение. В проекте исследована применимость двухуровневой модели для расчета сечений классического двухфотонного поглощения белка EGFP и его мутантных форм в зависимости от длины волны возбуждения, а также изучена сходимость N-уровневых моделей с увеличением числа промежуточных состояний. Показано, что для ярких однофотонных переходов, сопровождающихся значительным изменением электронной плотности, двухуровневая модель дает наибольший вклад в сечение двухфотонного поглощения. Типичным примером переходов такого типа является S0-S1 переход во флуоресцентных белках. Показано, что переход к N-уровневой модели не дает существенного изменения в сечениях двухфотонного поглощения, что подтверждает применимость двухуровневой модели для этих переходов. Для переходов S0-S2 и S0-S3 минимальная модель, удовлетворительно описывающая экспериментальные данные, включает три состояния, тем самым демонстрируя быструю сходимость N-уровневых моделей для первых трех переходов во флуоресцентных белках. Рассчитанные значения сечений двухфотонного поглощения белка EGFP и EGFP T203I хорошо согласуются с экспериментальными данными как в случае первого перехода, так и более высоколежащих. Проведены исследования по направленным химическим модификациям ближайшего окружения хромофорной группы в белке EGFP с целью увеличения сечения двухфотонного поглощения. Показано, что увеличение сечения двухфотонного поглощения белка EGFP может быть достигнуто путем модификации белкового окружения хромофора при введении точечных мутаций, влияющих на электростатическое поле белка вблизи хромофора. Увеличению сечения отвечает усиление напряженности электрического поля вдоль направления от фенольного кольца хромофора к имидазолоновому, которое может быть достигнуто, например, изменением заряда окружения фенольного кольца хромофора на более положительный, а имидазолонового – на более отрицательный. В совместных теоретических и экспериментальных работах исследован механизм фотоокисления фенолят-аниона в водном растворе в зависимости от длины волны возбуждения. Впервые обнаружено, что при фотоокислении органического хромофора в растворе может образовываться продукт в электронно-возбужденном состоянии. Релаксационная динамика оказывается сильно зависящей от конечного состояния радикала, и в случае электронно-возбужденных состояний рекомбинация происходит на субпикосекундных временах. По результатам совместной работы подготовлена статья и направлена в редакцию журнала J. Am. Chem. Soc. В проекте разработан и реализован метод расчета фотоэлектронных спектров и спектров действия при колебательной автоэмиссии электронов из слабосвязанных электронно-возбужденных состояний молекулярных анионов в зависимости от длины волны возбуждения. С помощью разработанного метода был исследован механизм колебательной электронной эмиссии из первого электронно-возбужденного состояния аниона хромофора белка GFP при его возбуждении в видимом диапазоне, а также проведена интерпретация низкоэнергетической области его экспериментальных фотоэлектронных спектров. Показано, что распределение электронов по кинетической энергии в фотоэлектронных спектрах этого аниона определяется матричными элементами неадиабатического взаимодействия, связанными с определенными колебательными модами. Разработанный и реализованный метод, а также полученные с его помощью результаты являются важными для интерпретации экспериментальных данных, полученных с помощью спектроскопии действия при многофотонном резонансном возбуждении биологических хромофоров в газовой фазе. В проекте исследованы различные механизмы электронной релаксации анионного хромофора белка GFP в газовой фазе в зависимости от длины волны возбуждения в различных режимах и при разных температурах. На основе проведенных теоретических исследований в проекте предложена экспериментальная схема определения начала полосы поглощения хромофора при резонансном двухфотонном возбуждении хромофора. По результатам работы опубликованы статья в журнале J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13(29), 6683–6685 (Q1, IF=6.888). С помощью методов квантовой химии высокого уровня точности исследовано влияние структурных модификаций на квантовый выход флуоресценции (КВФ) производных 2H-пиранона-2, а также предложен анализ процессов их электронной релаксации, объясняющий связь КВФ исследуемых веществ с их структурой. Установленные структурные закономерности, обуславливающие изменения КВФ для рассмотренного класса соединений в результате их химической модификации, могут быть использованы для планирования рационального органического синтеза перспективных флуорофоров, в то время как использованная методология расчётов может быть применена для установления связи химической структуры и КВФ широкого круга других классов органических соединений. По результатам подготовлена статья для журнала J. Phys. Chem. Lett. В результате проведенного скрининга наноструктур с использованием численного моделирования для фотоконверсии флуоресцентных белков предложено использовать наночастицы серебра, имеющих форму полумесяца с толщиной 20–30 нм, получаемые методом коллоидной литографии с использованием микросфер из полистирола диаметром 200 нм при осаждении серебра под углом к нормали подложки около 30 градусов. Расчет спектров экстинкции показал, что массивы таких наночастиц имеют резонансную плазмонную моду при продольной поляризации света с длиной волны около 900–950 нм, что соответствует длине волны в спектрах двухфотонного поглощения EGFP, а усиление напряженности электрического поля вблизи острых концов наночастицы может превышать один порядок, что делает такие частицы перспективными для проведения фотоконверсии флуоресцентных белков при нелинейном двухфотонном поглощении. Отработана экспериментальная методика получения наночастиц серебра с формой полумесяца и получены массивы таких наноструктур на подложках из кремния и стекла. Размер и форма наночастиц изучена методом растровой электронной микроскопии. По результатам проекта в 2022 году опубликована одна статья в рецензируемом международном журнале первого квартиля [J. Phys. Chem. Lett. 2022] и две статьи подготовлены к печати. Результаты представлены руководителем проекта в виде приглашенного доклада на всероссийской конференции, а также в виде двух устных докладов молодыми исполнителями проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Выявлены общие закономерности по влиянию различных факторов на величину сечения двухфотонного поглощения хромофорных групп ретиналь-содержащих белков первого и второго типа при переходе S0-S1. Как и в случае флуоресцентных белков, показано, что основной вклад в сечение двухфотонного поглощения родопсинов вносят начальное и конечное состояния, а величина сечения двухфотонного поглощения хорошо описывается в рамках двухуровневой модели. Однако в случае родопсинов состояние S2 и соответствующий канал перехода через это промежуточное состояние вносит больший вклад в величину сечения (10%), что связано с различием в энергетическом спектре катионного хромофора родопсинов и анионного хромофора флуоресцентных белков. Показано, что хорошая применимость двухуровневой модели для описания переходов S0-S1 во флуоресцентных белках и родопсинах обусловлена характером этих переходов, в обоих случаях сопровождающихся переносом заряда при возбуждении. При этом в случае протонированного основания Шиффа ретиналя перенос заряда имеет ярко выраженный характер, что приводит к существенно большему сечению классического двухфотонного поглощения родопсинов (300–700 GM) по сравнению с флуоресцентными белками (20–45 GM). Разработан и реализован алгоритм расчета вероятности поглощения запутанных пар фотонов с помощью прямого суммирования по промежуточным состояниям и изучена сходимость N-уровневых моделей с увеличением числа промежуточных состояний при переходе S0-S1 на примере флуоресцентных белков EGFP и его модификации EGFP T203I. Выявлены основные факторы по влиянию квантового запутывания фотонов на величину сечения двухфотонного поглощения. В отличие от классического двухфотонного поглощения (TPA), скорость которого квадратична по начальной плотности потока фотонов, скорость запутанного двухфотонного поглощения (ETPA) линейна по плотности потока коррелированных пар фотонов, а вероятность поглощения в явном виде зависит от времени корреляции двух фотонов. В случае перехода S0-S1 каналы через постоянные дипольные моменты доминируют как в случае классического TPA, так и в случае квантового ETPA, а двухуровневую модель можно использовать для корректного описания зависимости вероятности поглощения от времени корреляции двух фотонов, осциллирующей в фемтосекундном масштабе времени, при этом вероятность изменяется от нуля до значений, на порядки превышающих классическую вероятность. В рамках двухуровневой модели впервые показано, что сечение ETPA зависит не только от разницы постоянных дипольных моментов в основном и конечном состояниях, как в случае классического TPA, но и от их суммы. Квантовый вклад в ETPA, зависящий от абсолютной величины постоянных дипольных моментов, намного превышает классический вклад, что и обусловливает многократное усиление ETPA. Показано, что модификация локального белкового окружения хромофора в белке EGFP T203I по-разному влияет на силу классического и запутанного двухфотонного поглощения. Классический вклад выше в случае белка EGFP, тогда как квантовый вклад выше в случае его модификации EGFP T203I. Двухуровневая модель, учитывающая только механизм двухфотонного возбуждения через постоянные дипольные моменты, правильно отражает эту тенденцию: определяющей величиной для классического двухфотонного поглощения является разность постоянных дипольных моментов состояний S0 и S1, а для запутанного поглощения –- их сумма. Таким образом, в рамках проекта впервые показано, что вероятности поглощения некоррелированных и коррелированных пар фотонов могут кардинально отличаться. Разработан и реализован алгоритм для расчета неравновесной заселенности колебательных уровней фотоактивных биомолекулярных систем в электронно-возбужденном состоянии при нелинейном двухфотонном возбуждении. Показано, что неравновесная заселенность активных колебательных мод при однофотонном и двухфотонном возбуждении разная, что связано с различными механизмами вибронного взаимодействия: при нелинейном двухфотонном возбуждении возрастает активность тех колебательных мод, при смещениях вдоль которых меняется постоянный дипольный момент в основном и/или возбужденном состоянии. Разработан и реализован алгоритм для расчета констант скоростей фотоиндуцированного переноса электрона из электронно-возбужденных состояний фотоактивных белков при линейном однофотонном и нелинейном двухфотонном возбуждении в зависимости от длины волны возбуждения с учетом неравновесной заселенности колебательных мод. Метод расчета константы скорости фотопереноса электрона основан на теории Биксона-Ульструпа-Йортнера. Подтвержден колебательный механизм фотоиндуцированного переноса электрона с анионного хромофора в белке EGFP на молекулярный кислород. Показано, что фотоиндуцированный перенос электрона промотируется валентным колебанием сопряженной системы хромофора. Проведены совместные экспериментальные и теоретические работы по исследованию механизмов электронной релаксации изолированного анионного хромофора зеленого флуоресцентного белка в зависимости от длины волны облучения. Показано, что при энергиях возбуждения, совпадающих с переходом S0-S1, можно выделить четыре энергетические области, характеризующиеся различными механизмами релаксации: флуоресценция, внутренняя конверсия через коническое пересечение, колебательная автоэмиссия из электронно-возбужденного состояния, прямой канал фотоионизации. С помощью метода, разработанного в рамках проекта, впервые рассчитаны спектры действия анионного хромофора зеленого флуоресцентного белка при колебательной автоэмиссии электронов из первого электронно-возбужденного состояния и проведена интерпретация экспериментальных колебательно-разрешенных спектров, полученных с помощью спектроскопии действия при резонансно-усиленной многофотонной ионизации биологических хромофоров в газовой фазе при криогенных температурах. Полученные результаты позволяют идентифицировать неадиабатический канал фотоионизации в экспериментальных спектрах и объяснить природу специфичности в механизме образования низкоэнергетических электронов. С помощью численного моделирования изучен процесс возбуждения и релаксации зеленого флуоресцентного белка. Показано, что благодаря эффективному перекрыванию полосы двухфотонного поглощения зеленого флуоресцентного белка с длинноволновой полосой плазмонного резонанса наночастицы серебра с формой полумесяца при облучении светом с длиной волны 950 нм возможно значительное, до 4 порядков, усиление интенсивности флуоресценции белка, вызванное увеличением скорости двухфотонного возбуждения в областях с высокой напряженностью электрического поля. Проведена оценка изменения времени жизни возбужденного состояния хромофора зеленого флуоресцентного белка вблизи наночастицы серебра с формой полумесяца, которое составило 0.006 нс. Получены значения констант излучательной и безызлучательной релаксации в присутствии наночастицы. Оптимизирована методика формирования наночастиц металлов с формой полумесяца. Получены образцы массивов наночастиц для проведения экспериментов по изучению эффективности фотоконверсии флуоресцентных белков EGFP и NowGFP. Разработана новая оригинальная методика получения хиральных плазмонных наночастиц с формой нанокрючков. Установлено, что полученные образцы обладают сильным хирооптичиеским откликом в диапазоне 500--700 нм. По результатам проекта в 2023 году опубликованы 3 статьи.