Механизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основе

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-13-01276

НазваниеМеханизмы избирательного отклика фотоактивных белков и гибридных бионаносистем на их основе

Руководитель Боченкова Анастасия Владимировна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-504 - Электронно-возбужденные системы, фотохимия, радиационная химия, спиновая химия

Ключевые слова фотохимия, фемтохимия, электронно-возбужденные молекулярные системы, спектроскопия, динамика излучательной и безызлучательной релаксации, квантовая химия, фотоактивные белки, флуоресцентные белки, плазмоника, наноматериалы, нанофотоника, гибридные бионаносистемы, фемтосекундная спектроскопия

Код ГРНТИ31.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку новых подходов к управлению процессами поглощения, преобразования и передачи энергии в фотоактивных белках, в том числе на создание новых гибридных бионаноматериалов на их основе с контролируемым фотооткликом. Актуальность исследования фотохимических и фотофизических процессов, протекающих при электронно-колебательном возбуждении биологических хромофоров и фотоактивных белков, таких как белки зрительной рецепции и флуоресцентные белки, обусловлена их высокой эффективностью и сверхбыстрыми фемтосекундными временами протекания первичных фотоинициируемых реакций. Установление механизмов действия, прогнозирование и оптимизация свойств фотоактивных биосистем с помощью новейших экспериментальных методов фемтосекундной лазерной спектроскопии и современных методов квантовой химии является необходимым для создания на их основе перспективных материалов для нелинейной оптики, оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, биосенсорных технологий. В основе данного проекта лежит тесное сотрудничество экспериментальных и теоретических групп. Результаты междисциплинарного проекта, полученные на стыке физики, химии и биологии, внесут существенный вклад в понимание механизмов действия фотоактивных биосистем. Достижимость решения поставленных задач определяется наличием большого опыта работы коллектива исполнителей в областях фотохимии, биофизики, квантовой химии, фемтосекундной лазерной спектроскопии и наноплазмоники. Впервые будут проведены совместные теоретические и экспериментальные работы по оптимизации условий для избирательного отклика фотоактивных белков при селективном возбуждении определенных колебательных мод. Впервые будут разработаны подходы к управлению откликом фотоактивных белков путем воздействия на них электромагнитными полями резонансно-возбужденных плазмонных наноструктур в гибридных бионаносистемах. В рамках проекта предполагается дальнейшее развитие неэмпирических методов квантовой химии, таких как инвариантная многоконфигурационная квазивырожденная теория возмущений в варианте RI-XMCQDPT2, для эффективного построения и анализа многомерных поверхностей потенциальной энергии фотоактивных биосистем, в том числе, в областях их квазипересечения. С использованием разрабатываемых квантовохимических методов будет проведено моделирование вибронной структуры оптических спектров и исследованы механизмы электронно-колебательного взаимодействия при фотовозбуждении и дезактивации фотоактивных биосистем. В проекте планируется развитие кинетических и динамических подходов для исследования характеристических времен колебательной релаксации и внутренней конверсии хромофорных групп ретиналь-содержащих (зрительные фоторецепторы и бактериальные родопсины) и флуоресцентных белков в изолированном состоянии и в белковом окружении. В частности, планируется исследование полного фотоцикла нового бактериального родопсина, выполняющего функцию светочувствительного натриевого канала. В случае флуоресцентных белков будет разработана квантовая теория фотоиндуцированного переноса электрона на молекулы окислителя при селективном возбуждении высокочастотных колебательных мод их хромофоров. Совместные теоретические и экспериментальные работы в области молекулярной физики, молекулярной биологии и биофотоники позволят сделать вывод о роли белкового окружения в механизмах действия этих фотоактивных биосистем и определить пути управления их избирательным фотооткликом. Помимо оптимизации фотофизических и фотохимических свойств самих хромофорных групп и их ближайшего окружения в фотоактивных белках, например, путем посттрансляционных химических модификаций их структуры, в проекте планируется поиск путей оптимизации фотоотклика биомолекулярных систем при внешнем воздействии на них. В проекте планируется создание новых гибридных бионаносистем на основе фотоактивных белков и плазмонных наночастиц с заданными свойствами. Многократное увеличение эффективности нелинейного двухфотонного поглощения и интенсивности флуоресценции белков семейства зеленого флуоресцентного белка будет достигаться за счет воздействия на них ближними полями возбужденных плазмонных резонансов. Это позволит использовать нелинейные двухфотонные процессы возбуждения фотоактивных частиц в области терапевтического окна прозрачности биологических тканей (700-1200 нм), что важно в различных биомедицинских приложениях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Свендсен, А; Кифер, ХВ; Педерсен, ХБ; Боченкова, АВ; Андерсен, ЛХ Origin of the Intrinsic Fluorescence of the Green Fluorescent Protein JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, Том: 139 Выпуск: 25 Стр.: 8766-8771 (год публикации - 2017)
10.1021/jacs.7b04987

2. Боченков ВЕ In-situ resist colloidal lithography for affordable plasmonics AIP Conference Proceedings, Том 1874, Номер статьи 030004 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4998033

3. Иоффе ИН; Квик, М; Квик, МТ; Добряков, АЛ; Рихтер, С; Грановский, АА; Берндт, Ф; Марвальд, Р; Эрнстинг, НП; Коваленко, СА Tuning Stilbene Photochemistry by Fluorination: State Reordering Leads to Sudden Polarization near the Franck−Condon Region JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, Том: 139 Выпуск: 42 Стр.: 15265-15274 (год публикации - 2017)
10.1021/jacs.7b09611

Публикации

1. Боченков В.Е. Large Area Fabrication of 2D Chiral Plasmonic Nanoparticles Proceedings of META'18, The 9th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, Marseille, France, стр. 629-630 (год публикации - 2018)

2. Боченков В.Е., Сазерленд Д.С. Chiral plasmonic nanocrescents: large-area fabrication and optical properties Optics Express, том 26, № 21, с. 27101-27108 (год публикации - 2018)
10.1364/OE.26.027101

3. Кнудсен Й.Л., Клуге А., Боченкова А.В., Кифер Х.В., Андерсен Л.Х. The UV-visible action-absorption spectrum of all-trans and 11-cis protonated Schiff base retinal in the gas phase Physical Chemistry Chemical Physics, Том: 20 Выпуск: 10 Стр.: 7190-7194 (год публикации - 2018)
10.1039/c7cp07512j

4. Боченков В.Е. Chiral comma-shaped gold nanoparticles: fabrication and refractive index sensitivity Journal of Physics: Conference Series, том 1092, с. 012011 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1092/1/012011

5. Аференок А.С., Боченков В.Е. Моделирование оптических свойств наночастиц золота, имеющих форму диска с двумя отверстиями XXXV Всероссийский симпозиум молодых ученых по химической кинетике Сб. трудов, Москва, 2018.-162 с., стр. 76 (год публикации - 2018)

6. Боченков В.Е., Шабатина Т.И. Chiral Plasmonic Biosensors Biosensors, том 8, № 4, 120 (год публикации - 2018)
10.3390/bios8040120

7. Авдонин И.С., Боченкова А.В. Долгоживущее электронно-возбуждённое состояние анионной формы мета-хромофора зелёного флуоресцентного белка Сборник тезисов докладов VI научной молодежной школы-конференции «Химия, физика, биология: пути интеграции», стр.11 (год публикации - 2018)

8. Авдонин И.С. Механизм безызлучательной электронной релаксации мета хромофора зелёного флуоресцентного белка Материалы IX научной конференции молодых ученых "Инновации в химии: достижения и перспективы - 2018", стр. 811 (год публикации - 2018)

9. Каморзин Б.Б. Моделирование электронно-колебательных спектров нежёстких биологических хромофоров Материалы IX научной конференции молодых ученых "Инновации в химии: достижения и перспективы - 2018", стр.847 (год публикации - 2018)

10. Петрусевич Е.Ф. Моделирование электронно-колебательных спектров ретиналь-содержащих фотоактивных белков Материалы IX научной конференции молодых ученых "Инновации в химии: достижения и перспективы - 2018" (год публикации - 2018)

11. Кусочек П.А. Механизм фотоиндуцированной изомеризации хромофорных групп ретиналь-содержащих фотоактивных белков Материалы IX научной конференции молодых ученых "Инновации в химии: достижения и перспективы - 2018", стр. 862 (год публикации - 2018)

Публикации

1. И.А. Колмычек,Е.А. Мамонов, В.Е. Боченков,Т.В. Мурзина Second-harmonic generation in gold crescent and comma-like nanostructures Optics Letters, vol. 44, no. 22,5473-5476 (год публикации - 2019)
10.1364/OL.44.005473

2. Боченкова А.В. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ЗРЕНИЯ Сборник трудов конференции "Ломоносовские чтения 2.0", 15-16 апреля, Московский государственный университет, с.12 (год публикации - 2019)

3. Е.М. Лобанова, Т.И. Шабатина, В.Е. Боченков Computer Simulations of the Optical Properties of Triangular Gold Nanoparticle Dimers Moscow University Chemistry Bulletin, Volume 74, Issue 5, 1 September 2019, Pages 229-231 (год публикации - 2019)
10.3103/S0027131419050080

4. Кифер Й.В., Грубер Е., Лангеланд Й., Кусочек П.А., Боченкова А.В., Андерсен Л.Х. Intrinsic photoisomerization dynamics of protonated Schiff-base retinal Nature Communications, V. 10, article number 1210 (год публикации - 2019)
10.1038/s41467-019-09225-7

5. Кусочек П.А., Боченкова А.В. МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ФОТОИЗОМЕРИЗАЦИИ ХРОМОФОРНЫХ ГРУПП РЕТИНАЛЬ-СОДЕРЖАЩИХ ФОТОРЕЦЕПТОРНЫХ БЕЛКОВ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ: ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ XXXVI ВСЕРОССИЙСКИЙ СИМПОЗИУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКЕ Сборник трудов. Под редакцией Мельникова М.Я., Верной О.И.. 2019 Издательство: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (Москва), c. 56 (год публикации - 2019)

6. Кусочек П.А., Боченкова А.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ ПРОТОНИРОВАННОГО ОСНОВАНИЯ ШИФФА РЕТИНАЛЯ В ФОТОЦИКЛЕ БАКТЕРИАЛЬНОГО РОДОПСИНА KR2 СБОРНИК ТЕЗИСОВ ДОКЛАДОВ VII НАУЧНОЙ МОЛОДЕЖНОЙ ШКОЛЫ-КОНФЕРЕНЦИИ "ХИМИЯ, ФИЗИКА, БИОЛОГИЯ: ПУТИ ИНТЕГРАЦИИ" Москва, 2019, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва, c. 44 (год публикации - 2019)

7. Аференок А.С., Боченков В.Е., Шабатина Т.И. НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА, ИМЕЮЩИХ ФОРМУ ДИСКА С ДВУМЯ СОПРИКАСАЮЩИМИСЯ ОТВЕРСТИЯМИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ XXXVI ВСЕРОССИЙСКИЙ СИМПОЗИУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКЕ Сборник трудов. Под редакцией Мельникова М.Я., Верной О.И.. 2019 Издательство: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (Москва), c.106 (год публикации - 2019)

8. Кабылда А., Петрусевич Е.Ф. Моделирование механизма необратимой окислительно-восстановительной фотоконверсии двухцветного флуоресцентного белка Материалы XXVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2019», секция «Химия». – М.: Издательство «Перо», 2019., с.799 (год публикации - 2019)

9. Петрусевич Е.Ф. Молекулярный механизм окисления зеленого флуоресцентного белка Материалы XXVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2019», секция «Химия». –М.: Издательство «Перо», 2019, с.822 (год публикации - 2019)

10. Кусочек П.А. Моделирование электронно-колебательных спектров хромофорных групп фотоактивных белков в белковом окружении Материалы XXVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2019», секция «Химия». –М.: Издательство «Перо», 2019, с.807 (год публикации - 2019)

11. А.С. Аференок, Т.И. Шабатина, В.Е. Боченков Modeling the optical properties of gold nanodisks with two holes Journal of Physics: Conference Series, 1348, 012088 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1348/1/012088

12. В.Е. Боченков, А.М. Шахов, А.А. Астафьев,В.А. Тимошенко Immobilization and plasmon-enhanced fluorescence of EGFP on Al nanohole arrays Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2019)