Химики МГУ выяснили механизм фотопереноса электрона флуоресцентного белка

Зеленый флуоресцентный белок активно используется биологами для наблюдения за процессами в живых организмах. Его присоединение к другим молекулам в качестве светящейся зеленой метки позволяет точно отследить их положение в клетке.

«Мы изучали хромофор — часть белка, отвечающую за его способность светиться, — рассказала руководитель лаборатории квантовой фотодинамики, соавтор работы, доцент, к.ф.-м.н. Анастасия Боченкова. — Ведь именно при испускании поглощенного хромофором света мы и видим зеленое свечение. Однако в некоторых случаях хромофор может подвергаться окислению, то есть отдавать электрон другой молекуле. Окисленный белок меняет длину волны излучения, становясь красным, что является перспективным для создания светочувствительных редокс-биосенсоров. Фотоокисление может также приводить к необратимому обесцвечиванию, при котором белок больше не может светиться, что значительно снижает область его практического применения».

До недавнего времени окислительные свойства хромофора зеленого флуоресцентного белка были изучены только для молекул в газовой фазе — относительно простого для проведения и интерпретации результатов процесса. Но так как окружение сильно влияет на свойства хромофора, окислительно-восстановительные характеристики для газовой фазы и для белка должны заметно отличаться.

«Непосредственно в белке окислительные свойства изучать очень сложно, но наши коллеги из Англии попытались приблизиться к этому: они нашли способ исследовать окисление хромофора в водном растворе, — пояснила Анастасия Боченкова. — С точки зрения эксперимента это прорывная методика, но получаемые результаты очень сложны для понимания. Для их правильной интерпретации нужно в деталях понимать механизм фотоиндуцированного переноса электрона с хромофора. Поэтому наша часть работы заключалась в разработке метода моделирования и анализа фотоэлектронных спектров. Мы проводили масштабные квантовохимические расчеты с помощью ресурсов суперкомпьютерного комплекса Ломоносов-2».

Комбинация многофотонной ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и расчетов квантовой химии высокого уровня точности позволила получить значения энергии отрыва электрона и оценить влияние окружения на электронную структуру хромофора, а также исследовать характер и роль его электронно-возбужденных состояний в процессах фотопереноса электрона. Полученное экспериментальное значение энергии отрыва электрона оказалось гораздо больше измеренного в газовой фазе. Авторы также сравнили его со своими расчетами для белка. Полное сходство двух значений указывает на то, что способность хромофора отдавать электрон при поглощении фотона в белковом окружении и водной среде практически одинаково.

«Помимо помощи экспериментаторам, мы смогли верифицировать предложенную нами методику расчетов, — объяснил аспирант лаборатории квантовой фотодинамики химического факультета МГУ и соавтор исследования Антон Бойченко. — Это поможет в дальнейшем распространить ее на другие подобные системы и откроет возможность интерпретировать результаты сложных экспериментальных исследований».

«В будущем мы хотим направить фотоокисление во благо, — поделилась Анастасия Боченкова. — В клетке ведь тоже есть окислители, например активные формы кислорода. Появление красного свечения вместо зеленого позволяет использовать белок как биосенсор, показывающий наличие окислителей в клетке. Основная проблема, ограничивающая его применение — маленький выход реакции. Сейчас мы активно работаем над ее устранением, с помощью физических подходов пытаемся повысить эффективность процесса при лазерном облучении в линейном и нелинейном режиме».