Computer Simulations of Light-Triggered Processes of Chromophores in Complex Environments

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. ... mehrWohingegen 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.

The understanding of photophysical and photochemical processes of light absorbing molecules (chromophores) in complex environments is crucial for the development of new research tools for biological processes. The goal of this thesis is to gain a deeper knowledge of absorption, fluorescence and isomerization processes in different environments and the influence of the environment to structural properties of the chromophore. This is achieved by the application of a wide spectrum of theoretical computational methods. High level ab initio methods are required for the correct Description of the excited state electronic structure. ... mehrThe computational less costly semi-empirical methods provide a dynamic picture of the chromophores and enables the enlargement of the considered systems.
The mostly used chromophore as optogenetic tools for the neuroscience research is retinal, which is found in rhodopsins. Channelrhodopsin-2 (ChR-2) is considered as the most used rhodopsin in this field. Its function enables the light triggered depolarization of neuronal membranes. However, the mechanism is still not clear and further investigation of the photocycle requires an accurate and detailed description of the dark-state structure. Therefore, the influence of the binding pocket of the retinal in ChR-2 and the effect of the structural fine tuning of the binding pocket on the absorption has been investigated. As a result, several structural characteristics of the protein and its Temperature dependency have been determined.
In contrast to ChR-2, the histidin kinase rhodopsin-1 (HKR1) is able to form two stable states during the photocycle. This enables bimodal switching between the two stable states of the protein and so HKR1 is a promising protein for the development of new optogenetic tools. In HKR1, the structure and function mechanism is poorly understood. Thus, a homology model with a reliable retinal structure and its binding pocket has been built and successfully validated by comparison of the absorption to the absorption of bacteriorhodopsin as reference. This structure allows the investigation of the the all-trans to 13-cis isomerization of the retinal by using high level ab initio methods. This setected 13-cis retinal structure enables further investigations of the unique second stable state in the HKR1 photocycle.
The high level ab initio methods are computationally too demanding for the simulation of the dynamic behavior of the isomerization of systems like retinal embedded in rhodopsins. Therefore, the faster semi-empirical OM2/MRCI method, has been tested and benchmarked for the determination of the isomerization mechanism and the excited state life-time of a protonated Schiff base model.
In the last part of this work, the solvatochromic effect of the fluorescent molecule Flugi-2 has been investigated. The dynamical treatment of chromophores in the excited state, while considering the explicit surrounding is not possible to this date. Thus, new methods first applied the classical methods have been used to provide geometries in the excited state in combination with the electronic structure calculated by semi-empirical methods. Hence, resulting in the investigation of the structural influence of the DMSO solvent on the Flugi-2 chromophore. It has been demonstrated, that implicit solvent models fail to describe the correct interaction between solvent and chromophore. Until future methods enable a dynamical treatment of the chromophore with an explicit description of the environment, classical methods as described above are a reasonable way to sample the structural correlation between solvent and chromophore. In this work, it has been successfully investigated absorption, fluorescence and isomerization processes of chromophores in different complex environments by using a wide range of computationally methods.