Supercomputersimuleringer til at designe stive fluorescerende molekyler til afklaring af proteinstruktur og dynamik

De fleste metoder til strukturel karakterisering af biomolekyler, såsom røntgenkrystallografi eller elektronmikroskopi, kræver statiske eller krystalliserede prøver. Fastgøring af fluorescerende molekyler til proteinoverflader, imidlertid, muliggør direkte billeddannelse af dynamiske biomolekylære interaktioner ved hjælp af lys, som kunne forbedres, sige A*STAR -forskere, med prædiktiv modellering af fluorescenslevetider.

Fluorescens involverer normalt enkelte molekyler, der spontant absorberer lys og derefter genudsender det som en anden farve. Men under de rigtige betingelser, en absorberet foton kan hoppe fra et donormolekyle til en nærliggende acceptorforbindelse, der også fluorescerer. Forskere har for nylig udnyttet den stærke afstandsafhængighed af denne effekt til at producere 'spektroskopiske linealer', der måler nanoskala-dynamikken mellem donor- og acceptorprober knyttet til forskellige dele af en proteinrygrad.

En central udfordring er at lave spektroskopiske linealer med acceptabel nøjagtighed. Konventionelle fluoroforer har store, fleksible strukturer, der presser mod proteiner på flere måder, gør det vanskeligt at måle linealens lineal. Så for at søge alternativer, Tsz Sian Chwee og kolleger fra A*STAR Institute of High Performance Computing undersøgte, om de kunne beregne fluorescensen af ​​stive og små molekyler kendt som syn-bimaner, og derefter bruge sådanne teorier til probe design.

Typiske kvantekemiske tilgange, imidlertid, har problemer med at beregne egenskaber, når et molekyle absorberer en foton og går ind i en ophidset tilstand. Chwee og hans team håbede at overvinde disse unøjagtigheder ved hjælp af tidsafhængig tæthedsfunktionel teori, der behandler problemet med exciterede elektroner med en 'udveksling-korrelation'-algoritme, der delvist stammer fra eksperimenter.

"Tidsafhængig tæthed funktionel teori bruges af det videnskabelige samfund til at studere fænomen som absorption og emission, men det fulde potentiale af denne tilgang er ikke blevet udnyttet endnu, "siger Chwee.

Brug af fluorescenslevetid som en testparameter, forskerne sammenlignede, hvordan forskellige udvekslingskorrelationsteorier simulerede syn-bimaner i realistiske, opløsningsfyldte situationer. Disse forsøg afslørede, at modeller, der inkorporerede vibronic interaktioner - den synkroniserede kobling af molekylære vibrationer til elektroniske excitationer - gav de mest præcise forudsigelser af fluorescerende levetid. De opdagede flere udvekslingskorrelationsfunktioner, der er i stand til at håndtere disse ligninger til minimale beregningsomkostninger.

"Vibroniske aspekter er stort set blevet overset, selvom de spiller en afgørende rolle i fotofysikken af ​​fluorescerende molekyler, " bemærker Chwee. "Mens vi udførte vores beregninger på supercomputere, beregningsressourcerne er beskedne nok, de kunne have været afsluttet på en moderne arbejdsstation på et par uger. "

Chwee forudser, at hurtig analyse ved hjælp af tæthedsfunktionelle teorier kan være bedre til at spotte sjældne fluorescerende probekandidater med stærk absorption og justerbare emissionsegenskaber.