光敏色素发色团光诱导激发态反应机理的理论研究

Near-infrared fluorescent proteins engineered from the phytochromes provide a powerful tool for imaging deep within living tissue in vivo, and it holds great promise applying for medical diagnosis and treatment of diseases such as cancer. Great efforts have been devoted to clarifying the photoinduced mechanism by experiments. However, such efforts are very challenging from computational chemical aspects. Photoinduced excited-state reaction mechanisms of the phytochrome chromophore are involved in very complicated multi-channel reaction pathways; this complexity is structured by coupled and competed processes based on transition state, conical intersection and intersystem crossing along with photoisomerization and excited-state proton transfer. This is very challenging problem and hotspot nowadays in both experimental and theoretical photochemistry. By combining excited-state electronic structure calculation with nonadiabatic molecular dynamics simulation, we hope to provide clear physical insights at atomic and molecular level for understanding photoinduced excited-state reaction mechanisms of the phytochrome chromophore. It is our goal to clarify importance how water, protein residue and environmental factors play a role in the nonadiabatic reaction, and results in theoretical basis and guidance for experimentally designing near-infrared fluorescent probes. At the same time, we develop a unified global-switching trajectory surface hopping algorithm for describing internal conversion and intersystem crossing processes. By combining with QM/MM method, we perform on-the-fly ab initio multi-scale nonadiabatic molecular dynamic simulation to investigate reaction mechanisms of the phytochrome chromophore under different environments. The development of multi-scale nonadiabatic dynamics method is also important for the theory.

光敏色素荧光蛋白生物探针在活体深度成像领域有广泛的应用前景，其光谱特性主要由发色团的结构决定。目前为止，光敏色素发色团光诱导反应机理，主要是实验研究给出的推测性解释，相应的理论研究工作非常少见。其光诱导过程涉及异常复杂的耦合反应路径，势能面交叉、光异构化和激发态质子转移等现象相伴发生、互相竞争。因而对该类体系反应机理的研究是当前激发态结构和非绝热过程研究中的难点问题。本项目拟将激发态电子结构计算和多尺度非绝热动力学模拟方法相结合，研究光敏色素发色团体系的光诱导激发态反应机理，以期能够在全原子水平上理解它的光物理、光化学和光生物过程的微观动力学机制；阐明水分子、蛋白质残基以及不同环境因素在复杂体系非绝热过程中扮演的重要作用；进而为设计近红外荧光分子探针提供理论依据和指导。同时，发展基于全局跃迁算法的面跳跃动力学、直接动力学与QM/MM相结合的多尺度非绝热动力学方法对理论本身也有重要意义。

光敏色素经过蛋白质工程技术改造，能够作为近红外荧光探针用于活生物体内的深度成像，应用于癌症等疾病的医学诊断和治疗。本项目通过结合基于全局跃迁算法的面跳跃动力学、直接动力学与QM/MM方法，开发了多尺度非绝热动力学理论和方法，从分子水平和理论计算的角度对光敏色素发色团的光致异构过程和机理进行了深入的研究。. 首先，利用电子结构计算和非绝热动力学研究，引入简单的质量控制实现对光敏色素发色团的特定部位运动限制，模拟生物体系中各种可能的空间效应对激发态光诱导过程的影响。研究表明，不同环的限制对所涉及的反应通道和激发态寿命显示出或强烈或轻微的作用。其次，通过非绝热动力学的模拟，探究了不同去质子化对光敏色素发色团光异构化的影响。研究发现，去质子化与质子化发色团激发态寿命相比差别很大。通过对跃迁结构及反应路径进行分析，发现造成这一差异的主要原因是氢键限制了不同环之间的相对旋转，改变了体系在电子激发态的运动轨迹，进而到达不同的圆锥交叉点，最终抑制了非绝热跃迁的发生。研究工作为光敏色素蛋白光异构化反应通道的人工调控提供了有益的思路，有望为设计近红外荧光分子探针提供理论依据和指导。. 此外，采用Python计算机语言，编制完成了一套QM/MM直接动力学程序，从而能够进行复杂体系在溶液或蛋白环境下的多尺度动力学的理论探究。通过调用不同的量子化学程序（如MNDO、MOLPRO、Gaussian等），可以实现不同电子结构计算水平下的绝热或非绝热过程的动力学模拟。