Ученые нашли у светящегося белка «темную сторону», которая защищает молекулы от ультрафиолета
Российские и зарубежные ученые выяснили, как измененный фрагмент зеленого флуоресцентного белка быстро «выключает» свечение и переводит энергию света в безопасное тепло. Это поможет создавать новые солнцезащитные покрытия, прочные полимеры и управляемые биосенсоры.
Источник: Новости науки.
МОСКВА, 19 мая. /Новости науки/. Ученые впервые подробно описали «темное» электронное состояние в светочувствительном фрагменте зеленого флуоресцентного белка. Это состояние не излучает свет, а работает как защитная ловушка для энергии ультрафиолета, сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Зеленый флуоресцентный белок хорошо известен биологам. Его используют как светящуюся метку, чтобы наблюдать за работой генов и белков, а также за ростом опухолей. Когда на такой белок направляют свет, его светочувствительный участок — хромофор — поглощает энергию и затем сам начинает светиться.
Но у таких молекул есть и другой путь. Они могут перейти в так называемое «темное» состояние. В нем молекула не испускает свет. Вместо этого она временно удерживает лишнюю энергию, а затем рассеивает ее в виде тепла. Так молекула защищает себя от разрушения.
До сих пор ученые плохо понимали, как именно возникает это состояние и как молекула из него выходит. Это мешало управлять фотозащитными свойствами таких веществ.
Исследователи из МГУ имени М.В. Ломоносова вместе с коллегами из Университета Дарема в Великобритании и Орхусского университета в Дании изменили структуру хромофора зеленого флуоресцентного белка. Они передвинули одну из химических групп в молекуле. Из-за этого хромофор стал легче переходить в «темное» состояние.
Затем ученые поместили отрицательно заряженные хромофоры в электростатическое ионное накопительное кольцо. В этом устройстве молекулярные ионы находятся в глубоком вакууме и не взаимодействуют с растворителем, белками или другими веществами. Это позволило увидеть поведение самой молекулы без помех со стороны окружения.
После этого на хромофоры подействовали сверхкороткими лазерными импульсами. Так молекулы перевели в возбужденное, «яркое» состояние.
Опыт показал, что хромофор переходит из «яркого» состояния в «темное» всего за 100 фемтосекунд. Одна фемтосекунда — это одна миллионная миллиардной доли секунды. После этого молекула остается в «темном» состоянии почти 100 пикосекунд. Для внутримолекулярных процессов это очень долго.
«Это состояние работает как молекулярный предохранитель — сверхбыстрая энергетическая ловушка. Оно позволяет перехватить избыточную электронную энергию и избежать разрушения молекулы. Секрет защиты от ультрафиолета кроется в синхронной сверхбыстрой перестройке электронов и ядер в молекуле. Это предотвращает распад молекул на опасные свободные радикалы и электроны», — пояснила руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией квантовой фотодинамики и доцент кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Анастасия Боченкова.
Похожий защитный механизм есть у каротиноидов. Это природные пигменты, которые участвуют в фотосинтезе у растений и бактерий. Они тоже помогают молекулам безопасно избавляться от лишней энергии света.
Однако у измененного хромофора есть важное отличие. Его «темное» состояние связано с заметным переносом заряда внутри молекулы. Поэтому таким состоянием можно управлять через окружение молекулы — например, меняя растворитель или структуру белка вокруг хромофора.
Ученые считают, что это открывает путь к новым материалам с заданной устойчивостью к ультрафиолету. На основе такого принципа можно создавать сверхпрочные полимеры, солнцезащитные покрытия и биосенсоры, которые быстро переключаются между «включенным» и «выключенным» состояниями.
«В дальнейшем мы планируем исследовать, как именно полярность и природа окружения влияют на динамику и время жизни “темного” состояния в химически модифицированных хромофорах. Сопоставление данных, полученных в газовой фазе, с поведением хромофора в растворах и белках позволит построить количественную модель настройки фотозащитных свойств», — рассказала Боченкова.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Зеленый флуоресцентный белок хорошо известен биологам. Его используют как светящуюся метку, чтобы наблюдать за работой генов и белков, а также за ростом опухолей. Когда на такой белок направляют свет, его светочувствительный участок — хромофор — поглощает энергию и затем сам начинает светиться.
Но у таких молекул есть и другой путь. Они могут перейти в так называемое «темное» состояние. В нем молекула не испускает свет. Вместо этого она временно удерживает лишнюю энергию, а затем рассеивает ее в виде тепла. Так молекула защищает себя от разрушения.
До сих пор ученые плохо понимали, как именно возникает это состояние и как молекула из него выходит. Это мешало управлять фотозащитными свойствами таких веществ.
Исследователи из МГУ имени М.В. Ломоносова вместе с коллегами из Университета Дарема в Великобритании и Орхусского университета в Дании изменили структуру хромофора зеленого флуоресцентного белка. Они передвинули одну из химических групп в молекуле. Из-за этого хромофор стал легче переходить в «темное» состояние.
Затем ученые поместили отрицательно заряженные хромофоры в электростатическое ионное накопительное кольцо. В этом устройстве молекулярные ионы находятся в глубоком вакууме и не взаимодействуют с растворителем, белками или другими веществами. Это позволило увидеть поведение самой молекулы без помех со стороны окружения.
После этого на хромофоры подействовали сверхкороткими лазерными импульсами. Так молекулы перевели в возбужденное, «яркое» состояние.
Опыт показал, что хромофор переходит из «яркого» состояния в «темное» всего за 100 фемтосекунд. Одна фемтосекунда — это одна миллионная миллиардной доли секунды. После этого молекула остается в «темном» состоянии почти 100 пикосекунд. Для внутримолекулярных процессов это очень долго.
«Это состояние работает как молекулярный предохранитель — сверхбыстрая энергетическая ловушка. Оно позволяет перехватить избыточную электронную энергию и избежать разрушения молекулы. Секрет защиты от ультрафиолета кроется в синхронной сверхбыстрой перестройке электронов и ядер в молекуле. Это предотвращает распад молекул на опасные свободные радикалы и электроны», — пояснила руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией квантовой фотодинамики и доцент кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Анастасия Боченкова.
Похожий защитный механизм есть у каротиноидов. Это природные пигменты, которые участвуют в фотосинтезе у растений и бактерий. Они тоже помогают молекулам безопасно избавляться от лишней энергии света.
Однако у измененного хромофора есть важное отличие. Его «темное» состояние связано с заметным переносом заряда внутри молекулы. Поэтому таким состоянием можно управлять через окружение молекулы — например, меняя растворитель или структуру белка вокруг хромофора.
Ученые считают, что это открывает путь к новым материалам с заданной устойчивостью к ультрафиолету. На основе такого принципа можно создавать сверхпрочные полимеры, солнцезащитные покрытия и биосенсоры, которые быстро переключаются между «включенным» и «выключенным» состояниями.
«В дальнейшем мы планируем исследовать, как именно полярность и природа окружения влияют на динамику и время жизни “темного” состояния в химически модифицированных хромофорах. Сопоставление данных, полученных в газовой фазе, с поведением хромофора в растворах и белках позволит построить количественную модель настройки фотозащитных свойств», — рассказала Боченкова.
