利用新型的飞秒受激拉曼光谱研究荧光蛋白的超快结构动力学

Fluorescent proteins (FP) have played a pivotal role in modern biomedical science. Recent research has demonstrated that the intermolecular hydrogen bond network formed by FP chromophore and nearby molecules (water and amino acid residues) may be a key factor affecting the proton transfer rate and spectral characteristics of FP. Although the traditional ultrafast spectroscopies provide important dynamic of the electronic excited state, further study of the structural dynamics on the timescale of femtosecond is necessary. The goal of this project is investigating the excited state low frequency (100cm-1→600cm-1) Raman spectra of FP using newly developed resonance-enhanced femtosecond stimulated Raman spectroscopy, which helps us intuitively understood the detailed anharmonic vibrational coupling between skeletal motion of chromophore and hydrogen bonding vibrational modes in the FP protein matrix. Moreover, understanding of how this coupling leads to ultrafast proton transfer via hydrogen bond network can help us to generate more stable FP with higher quantum yields.

绿色荧光蛋白在当代生物医学方面具有非常广泛地应用。研究表明，荧光蛋白内发色团分子与周边水分子和氨基酸支链形成的氢键网络结构是影响荧光蛋白质子传递速率以及发光特性的关键因素。传统的超快光谱技术为该过程的研究提供了重要的电子态激发态的动力学信息，但是在飞秒时域的结构动力学方面还有待更深入的研究。本项目利用新颖的共振增强型飞秒受激拉曼光谱技术，聚焦低频拉曼振动区域（100cm-1→600cm-1），实现对绿色荧光蛋白的激发态低频共振拉曼光谱探测。帮助我们直观地了解荧光蛋白内部的发色团低频骨架运动与氢键网络之间的耦合作用的激发态结构动力学，找寻这种耦合作用如何调制氢键的状态最终导致快速质子传递的机制；能够在分子水平上理解这类光化学过程可以帮助人们获得具有更高稳定性和量子产率的荧光蛋白。

荧光蛋白在当代生物医学成像方面具有非常广泛地应用。在荧光探针中，红色荧光蛋白(red fluorescent protein-RFP)因其在组织内的光散射低、长波吸收较小以及在细胞内成像时背景低等特性在生物医学成像领域有着非常广泛地应用。 我们利用飞秒受激拉曼光谱技术（FSRS）、瞬态吸收光谱、pump-dump瞬态吸收光谱、时间相关单光子荧光光谱和时间分辨荧光光谱技术，结合密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TDDFT)量子化学计算，全面解析了一种红色荧光蛋白mKeima的整个质子传递的光循环过程。实验结果清晰地表明了mKeima蛋白中存在的顺式/反式两种构型的发色团，在光激发后的光循环过程，由于顺式/反式两种构型的发色团与周边的氢键网络结构相互作用的差异而表现出了完全不同的激发态动力学，其中包括了激发态质子传递、顺反异构化和基态质子传递过程。实验结果展示了FSRS结合各种时间分辨电子光谱技术和量子化学计算在激发态结构动力学研究中表现出的高效的分辨能力，帮助我们直观地了解荧光蛋白内部的发色团与氢键网络之间的耦合作用的激发态特性。