可逆光转换荧光蛋白（Dreiklang）非线性光学转换性质及其结构基础的理论研究

A reversibly switchable fluorescent protein (RSFP) namely Dreiklang would induce second harmonic and two-photon absorption properties change due to its switchable properties. This special character would exhibit advanced performance in nonlinear optic (NLO) imaging applications, and potentially ability to create new method of biological science. We plan to employ the QM/MM method to simulate the switchable effect of second harmonic and two-photon absorption properties in Dreiklang. We study the second harmonic and two-photon absorption properties in each state of Dreiklang, and analysis the feature of key structure including chromophore, understanding the relationship of structure and NLO properties for each state, and uncover the basically changing regularity of NLO properties in Dreiklang, this effort would prospective guiding the application of Dreiklang on the NLO technology. Furthermore, we study the proton transfer and structure of the key hydrogen bonding network which supporting the state switching, uncover the structural basis of NLO switchable effect on Dreiklang, and help to the development of new RSFP with special NLO function.

可逆光转换荧光蛋白Dreiklang发生光转换时，因其不同态结构发生变化会引发二次谐波和双光子吸收等非线性光学信号的改变，这种特性能够拓宽非线性光学应用领域，并催生出利用该特性进行生命科学研究的新方法。我们采用量子力学和分子动力学组合方法（QM/MM ），模拟Dreiklang各态非线性光学性质（二次谐波和双光子吸收）的转换效应。通过研究Dre iklang各态的二次谐波和双光子吸收性质，分析对这些性质起决定作用的发色团及关键基团在各态中的结构特征，揭示Dreiklang二次谐波和双光子吸收性质的变化规律，为可逆光转换荧光蛋白Dreiklang在非线性光学技术上的应用提供指导。在此基础上，研究支持各态转换的关键氢键网络结构及其质子转移现象，探讨关键氢键网络对二次谐波和双光子吸收性质的影响，揭示Dreiklang非线性光学转换性质的结构基础，指导特定非线性光学功能荧光蛋白的研制。

新型可逆光转换荧光蛋白-Dreiklang，因其不同荧光态活性结构差异较大，受相应激发波长激发时会产生独特的荧光强度循环增减的可逆转换性质。该不同荧光态受激转换的特性可能会引发二次谐波和双光子吸收等非线性光学信号的可逆变化, 这种特性能够拓宽非线性光学应用领域，并催生出利用该特性进行生命科学研究的新方法。我们采用量子力学和分子动力学组合方法（QM/MM），通过模拟各荧光态活性结构，对Dreiklang各荧光态的二次谐波和双光子吸收性质进行研究。我们发现Dreiklang的不同荧光态具有不同的二次谐波和双光子吸收性质，且这些性质和各态的发色团周围残基环境密切相关。尤其是发色团周围Tyr203会分别在亮态和暗态中与发色团形成中心和非中心对称的π堆叠结构，直接影响了亮态和暗态的非线性光学性质。通过对Dreiklang的非线性光学性质转换的理论研究，有助于可逆光转换荧光蛋白在非线性光学转换功能方面的研究发展。