Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Выявлены общие закономерности влияния различных факторов на форму электронно-колебательных спектров двухфотонного поглощения флуоресцентных и ретиналь-содержащих белков. Установлено, что при переходе от однофотонного к классическому двухфотонному поглощению в этих системах наблюдается увеличение относительной интенсивности пика, соответствующего переходу 0-1 наиболее активной колебательной моды, связанной с высокочастотными валентными колебаниями сопряженной системы хромофорной группы. Показано, что ключевую роль при этом играет диагональный вклад герцберг-теллеровского взаимодействия, что подчеркивает необходимость учета вибронных вкладов за рамками приближения Кондона. Впервые установлено, что наиболее сильно с двухфотонным переходом связаны те колебательные моды, при которых происходит существенное изменение среднего дипольного момента в плоскости сопряжения хромофорной группы в основном электронном состоянии. Проведено молекулярно-динамическое моделирование конформационной подвижности активного центра зеленого флуоресцентного белка и квантовохимический расчет параметров вдоль молекулярно-динамической траектории для оценки сечений классического двухфотонного поглощения с помощью методов квантовой химии высокого уровня точности. На основании полученных данных определены величины вкладов однородного и неоднородного уширения в спектры двухфотонного поглощения зеленого флуоресцентного белка. Показано, что вклад неоднородного уширения значительно меньше вклада однородного. При учете неоднородного уширения с помощью гауссовой функции с шириной на полувысоте, равной 533 см^-1, рассчитанный в модели смещенных многомерных гармонических поверхностей с параллельными нормальными модами и приближении Герцберг-Теллера спектр классического двухфотонного поглощения белка EGFP при температуре 300 K хорошо воспроизводит экспериментальную форму спектра. Проведены исследования влияния различных режимов возбуждения на сечения двухфотонного поглощения флуоресцентных и ретиналь-содержащих белков при поглощении некоррелированных и коррелированных (запутанных) фотонных пар. Впервые предложен общий формализм для расчета вероятностей переходов в случае поглощения запутанных и классических фотонных пар в случае фотоактивных молекулярных систем, в которых доминируют каналы возбуждения через постоянные диполи. Показано, что значительное усиление двухфотонного поглощения за счет квантового запутывания наблюдается как во флуоресцентных, так и ретиналь-содержащих белках. Это связано с наличием заряженных хромофорных групп, стабилизированных ближайшим белковым окружением. Большие величины постоянных дипольных моментов активных центров этих фотоактивных белков как в основном, так и возбужденном состоянии, а также сонаправленность соответствующих векторов важны для усиления поглощения запутанных пар фотонов, сечение которого зависит как от классического, так и неклассического вклада. При этом классический вклад определяется разницей постоянных дипольных моментов, тогда как неклассический вклад зависит от их суммы. Сильно полярный активный центр приводит к усилению двухфотонного поглощения за счет запутывания фотонов на 2 порядка, при этом усиление сильнее для флуоресцентных белков, в которых происходит существенно меньший перенос заряда при возбуждении по сравнению с ретиналь-содержащими белками первого и второго типов, и классический вклад оказывается много меньше неклассического аналога. Показано, что локальное электрическое поле белка может по-разному влиять на поглощение классических и запутанных фотонных пар, что наблюдается в случае точечной мутации T203I в белке EGFP. Проведены исследования двухфотонного поглощения флуоресцентных белков в ближних электромагнитных полях плазмонных наночастиц металлов при их резонансном возбуждении. При разработке метода получения плазмонных наночастиц с заданной формой на основе модификации метода коллоидной литографии получены хиральные наночастицы серебра, имеющие значительный сигнал кругового дихроизма в области ближнего ИК излучения. Установлено значительное увеличение сечения двухфотонного поглощения вблизи плазмонных наночастиц с формой полумесяца. В ходе совместных экспериментальных и теоретических работ изучена роль электронно-колебательных взаимодействий в механизме окислительной фотоконверсии флуоресцентных белков, сопровождающейся сдвигом максимумов длин волн поглощения и испускания в красную сторону. Определена зависимость квантового выхода фотоконверсии от длины волны возбуждения в различных режимах. Показано, что неравновесная заселенность колебательных уровней в состоянии S1 зависит от режима возбуждения. Активная мода с частотой 1614 см^-1, участвующая в переносе электрона из состояния S1, отвечает большему вибронному взаимодействию при классическом двухфотонном возбуждении, что способствует увеличению константы скорости фотопереноса электрона и повышению эффективности окислительной фотоконверсии белка EGFP. По результатам проекта в 2024 году опубликованы 2 статьи в международных журналах первого квартиля.