时间分辨共振拉曼光谱用于光感蛋白SRII/HtrII复合物的弱相互作用研究

The motivations for this proposal is to better understand the photo-induced signal transduction and the consequent structure changes around the hydrogen bonding and the other weak interactions. Holding this popurse, our investigations will carried out on the study of photo-induced signal transduction and conformation changes in the photoreceptor/transducer complex SRII/HtrII using Steady-state and time resolved ultraviolet resonance Raman (UVRR) spectroscopy as well as TriVista monochromator. Spectra assignments are based on mutants as reference systems and H/D exchange spectra. UVRR spectroscopy can serve as a probe of the aromatic side-chain environment (~225 nm laser excitation) and the amide backbone conformation. The 225 nm UVRR spectra show selective enhancements of the aromatic side-chains, whose intensities and frequencies strongly depend on hydrogen bonding and solvent access to the side chains. We will use nanosecond time resolved deep UVRR spectroscopy with 225 nm laser excitation to determine changes in hydrogen bonding of aromatic amino acids in the contact region of the SRII/HtrII complex. Further, UVRR spectroscopy will be employed to characterize the enhanced hydrogen bonding spectra and equilibrium between the dynamic (dHAMP) and compact (cHAMP) form of the HAMP domain in HtrII via the changes of the amide modes. This proposal intends to provide the time resolved Resonance Raman Spectra as a powerful in-situ detection tool for the research of weak interactions in the self-assemble systems. We will explore the photo-induced signal transduction and conformational dynamics in the photoreceptor/transducer complex SRII/HtrII. Hope that this research will pave the way for the development of weak interaction and proton transfer theory.

本项目以掌控光感蛋白SRII/HtrII 复合物的光感信号传输以及氢键等弱相互作用变换规律为目的，拟采用稳态及时间分辨紫外共振拉曼光谱（UVRR）技术，结合三级联光谱仪对SRII/HtrII 光诱导信号传输过程进行研究。以基因定点突变技术以及同位素交换实验为基础进行振动光谱指认，选取225nm 为探测波长研究芳基侧链、氢键以及溶剂与侧链间的相互作用，重点分析光诱导过程SRII 和HtrII 接触区的氢键变化规律；研究氨基骨架及孤电子对跃迁增强的氢键信息，根据氨基振动信息表征HAMP 区域dHAMP 和cHAMP 构型的平衡转换。通过本项目研究希望为生物自组装体系弱相互作用的表征引入光谱方法，探索SRII/HtrII 复合物光感信号传输过程动力学规律，为氢键等弱相互作用和质子转移理论的发展构筑基础数据。

分子间相互作用力也称范德华力或弱相互作用，是一种自然界普遍存在且对物质的理化性质起重要影响作用的作用力。弱相互作用在生物化学，晶体工程，超分子化学，物理有机化学等领域起着重要的作用。通过羰基作用形成的生物分子簇是很多生命体系形成的基础，比如原始细菌Natronobacterium pharaonis趋光性是由复合物结构NpSRII/NpHtrII（氢键和范德华力结合）的感光蛋白SRII和传导体HtrII间动态转换来完成的。众所周知C=O特征振动频率对环境非常敏感，因此可以以此频率作为标记来研究蛋白质在不同环境下所处的高级结构。以C=O特征频率以及特有的非一致效应为敏感探针，研究所处溶液环境变动引起的溶质结构变化。非一致效应是由于局部有序的跃迁偶极-跃迁偶极耦合作用形成的。本项目采集了丙酮及氘代丙酮的C=O伸缩振动模、三硫代碳酸乙烯酯(ET)和三硫代碳酸亚乙烯酯(DT)的C=S伸缩振动模,γ-己内酯、苯乙酮的C=O伸缩振动模，甲基异氰酸甲酯的N=C=S振动，色氨酸，胰蛋白酶，丝素蛋白和NpSRII/NpHtrII的羰基振动等等一系列化合物在质子型溶剂和非质子型溶剂中的各向同性和各向异性拉曼光谱及时间分辨荧光光谱，研究了他们的非一致效应以及溶剂极性和浓度对非一致效应的关系，特别是通过丙酮的基质隔离拉曼光谱和DFT计算，我们提出了非一致效应的聚集态模型。该模型能非常好地解释上述各种物质的拉曼光谱非一致效应现象，浓度效应和溶剂极性规律，反之也证明了分子间作用力诱导形成的局部聚集态结构，为进一步研究溶液结构理论奠定基础。丙酮的基质隔离实验还确认了在不同淬火温度时的丙酮单体，二聚体和三聚体结构，通过控制淬火温度可以轻易控制丙酮分子单体、二聚体和三聚体之间的动态转换。上述工作部分数据已经整理发表在《Journal of Raman Spectroscopy》，《scientific reports》《RSC Advances》《POWDER TECHNOLOGY》和《JOURNAL OF ORGANOMETALLIC CHEMISTRY》上。两篇论文正在退修，还有几篇论文正在整理投稿。基于本课题，现已培养硕士研究生8名。