Computer Simulations of Light-Triggered Processes of Chromophores in Complex Environments
Creators: name: Wolff, Franziska-Elisabeth Charlotte
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: MD Simulation
Rhosopsin
Quantenchemie
Lichtgesteuerte Prozesse
Umgebungseinfluss
Angeregte Zustände
Channelrhodopsin
Histidin Kinase Rhodopsin
Retinal
Isomerisierung
Absorption
Fluoreszenz

description: Zur Erforschung von biologischen Prozessen und Entwicklungen von neuen Applikationen, ist das Verständniss von photophysikalischen und photochemischen Prozessen von Licht absorbierenden Molekülen (Chromophoren) in complexen Umgebungen essentiell. Das maßgebliche Ziel dieser Arbeit ist das tiefere Verständnis von Absorptions, Fluoreszenz und Isomerisierungs Prozessen in unterschiedlichen Umgebungen und den Umgebungseinfluss auf die strukturellen Eigenschaften des Chromophors aufzudecken. Dabei wird ein weites Spektrum an theoretischen Rechenmethoden eingesetzt. Aufwendige und genaue ab initio Methoden werden für die korrekte Beschreibung der elektronischen Struktur des angeregten Zustandes verwendet. Wohingegen rechnerisch weniger anspruchsvolle, semi-empirische Methoden ein dynamisches Bild des Chromophors bereitstellen und die Berechnung größerer System mit bis zu 150 Atomen ermöglichen. 
Kanalrhodopsin-2 mit Retinal als Chromophor ist das am meist genutzte optogenetische Werkzeug der neuronalen Forschung. Seine Funktion ermöglicht die Licht gesteuerte Depolarisation von neuronalen Membranen. Jedoch ist dieser Mechanismus bis heute nicht komplett aufgeklärt und die weitere Erforschung erfordert eine genaue und detaillierte Struktur des Dunkel-Zustandes. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit, der Einfluss der Bindungstasche und der Einfluss der strukturellen Konformation der Bindungstasche auf das Absorptionsverhalten untersucht. Es konnten mehrere spezifische strukturelle Merkmale und eine Temperaturabhängigkeit des Kanalrhodopsin-2 festgestellt werden.
Im Gegensatz zu Kanalrhodopsin-2, ist das Histidin Kinase Rhodopsin-1 (HKR1) fähig zwei stabile Zustände innerhalb des Photozyklus auszubilden. Dies ermöglicht ein Umschalten zwischen diesen zwei stabilen Zuständen des Proteins, wodurch es ein vielversprechendes Protein für die Entwicklung weitere Applikationen für die Optogenetik ist. Auch hier sind die Proteinstruktur und der Funktionsmechanismus noch nicht aufgeklärt. Aus diesem Grund wurde ein Homologiemodell mit einer verlässlichen Retinalstruktur und Bindungstasche gebaut und durch den Vergleich der Anregungsenergie mit der Referenz Bakteriorhodopsin verifiziert. Somit konnte die all-trans zu 13-cis Isomerisierung des Retinals mit ab initio Methoden untersucht werden. Infolgedessen konnte eine 13-cis Struktur des Retinals erhalten werden, die eine weitere Untersuchung des einzigartigen zweiten stabilen Zustandes des Fotozyklus erst ermöglicht. 
Da ab initio Methoden zu rechenaufwendig für die Simulation des dynamischem Verhaltens von Systemen wie Retinal sind, wurde die semi-empirische OM2/MRCI Methode, die eine dynamische Beschreibung im angeregten Zustand ermöglicht, getestet. Sowie für die korrekte Bestimmung des Isomerisierungsmechanismus und der Lebenszeit im angeregten Zustand eines pronotierten Schiffbase Modells verifiziert. 
Im letzten Teil dieser Arbeit wurde der solvatochrome Effekt des fluoreszenten Moleküls Flugi-2 analysiert. Die dynamische Beschreibung von Chromophoren im angeregten Zustand mit der gleichzeitigen eindeutigen Beschreibung des Lösungsmittel war bis jetzt nicht möglich und wurde erstmals in dieser Arbeit durchgeführt. Dazu wurden klassische Methoden verwendet um Geometrien im angeregten Zustand zu erhalten, wobei die elektronische Struktur mit semi-empirischen Methoden berechnet wurde. Dieses Konzept ermöglicht die Untersuchung des strukturellen Einflusses des Lösungsmittels auf den Chromophor Flugi-2. Ferner konnte gezeigt werden, dass implizite Solventmodelle die Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Chromophore nicht korrekt beschreiben können. Bis zukünftige Methoden eine dynamische Beschreibung des Chromophors mit der expliziten Beschreibung der Umgebung ermöglichen, sind auf klassischen Methoden basierte Ansätze, wie in dieser Arbeit gezeigt, sinnvoll um die strukturellen Zusammenhänge zwischen Lösungsmittel und Chromophor zu beschreiben. In dieser Arbeit sind Absorptions-, Fluoreszenz- und Isomerisierungsprozesse in verschiedenen komplexen Umgebungen mit Hilfe unterschiedlicher theoretischer Methoden erfolgreich erforscht worden.