Молекулярная динамика хромофора зеленого флуоресцентного белка, вызванная поглощением света. Анастасия Боченкова/МГУ

Сотрудники МГУ имени М.В. Ломоносова и Орхусского университета (Дания) установили механизм, определяющий чувствительность зеленого флуоресцентного белка к воздействию света. Ученые показали, что изолированная хромофорная группа способна излучать свет вне белкового окружения, тогда как роль белка сводится лишь к усилению ее флуоресцентных свойств. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом (РНФ), результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Белки семейства зеленого флуоресцентного белка широко используются в качестве биомаркеров: с их помощью можно следить за биологическими процессами, происходящими в клетках живых организмов. Широкое применение в молекулярной и клеточной биологии эти белки получили благодаря уникальной способности светиться при поглощении света определенной длины волны.

За поглощение света отвечает лишь небольшой фрагмент в белковой цепи — хромофорная группа (или более коротко – хромофор). До настоящего времени считалось, что именно белковое окружение, внутри которого находится хромофор, отвечает за его способность испускать свет при облучении, поскольку при денатурации белка (нарушении его структуры) изолированный хромофор теряет свои флуоресцентные свойства. Авторы статьи впервые предсказали и экспериментально доказали, что изолированный хромофор может флуоресцировать и вне белкового окружения, однако лишь при температурах ниже 100 К (—173^оС).

«В белке взаимодействие хромофорной группы с ближайшим белковым окружением приводит к тому, что излучательный канал дезактивации (флуоресценция) становится доминирующим уже при комнатной температуре. Таким образом, роль белкового окружения сводится к усилению флуоресцентных свойств хромофорной группы зеленого флуоресцентного белка», — рассказала один из авторов статьи Анастасия Боченкова, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физической химии химического факультета МГУ.

В ходе работы ученые исследовали свойства хромофора как с помощью математического моделирования, так и экспериментально. Ученые из МГУ создали теоретическую модель и оценили время жизни возбужденного состояния хромофора на основании проведенных квантово-химических расчетов высокого уровня точности. Также они создали новый экспериментальный метод исследования молекулярной динамики, вызванной поглощением света, — фемтосекундную спектроскопию действия с 2D-временным разрешением. На основе полученных данных ученые сделали вывод о наличии излучательного канала дезактивации при низких температурах, что подтвердило наличие предсказанных теоретически энергетических барьеров в возбужденном состоянии.

«В работе получены новые данные, направленные на решение фундаментальной проблемы — установление молекулярных механизмов функционирования живых систем. Мы показали, что свойства отдельной хромофорной группы важны для понимания механизмов действия всей фоточувствительной биосистемы. Новые знания получены на стыке физики, химии и биологии и приводят к переосмыслению устоявшихся парадигм в науке, например, представлений о роли белкового окружения в функционировании фотоактивных белков. Результаты, полученные в данной работе, открывают возможность управления первичными фотоиндуцированными процессами в хромофорных группах флуоресцентных белков и пути создания на их основе новых функциональных биоматериалов с контролируемым фотооткликом», — заключила Анастасия Боченкова.