Spectroscopic Properties of Light-Activated Proteins Resolved by Multiscale-Simulations

Rhodopsine und Lichtsammelkomplexe sind durch Licht aktivierte Proteine, die an natürlichen Prozessen wie dem Sehen oder der Photosynthese beteiligt sind. Um deren detaillierten Mechanismus zu verstehen, sind aufgrund ihrer Größe und der komplexen Umgebung, in die das Chromophor eingebettet ist, Multiskalen-Methoden erforderlich. Neue und effiziente Methoden sind daher sehr wünschenswert.
In dieser Arbeit wurde somit die kürzlich erfolgte zeitabhängige Erweiterung der effizienten LC-DFTB Methode für ihre Anwendung auf Rhodopsine und Lichtsammelkomplexe über einen systematischen Benchmark validiert. ... mehrZusätzlich wurden etablierte Methoden zur Untersuchung des $\textit{pre-gating}$ Prozesses des lichtgesteuerten Ionenkanals $\textit{Channelrhodopsin-2}$ Wildtyp (ChR2-WT) verwendet.

Die Benchmark Studie wurde sowohl an den isolierten Chromophoren Retinal und Bakteriochlorophyll a (BChl a), als auch am biologischen System als Ganzes durchgeführt. Dabei wurden Einflussfaktoren, die für ihre charakteristischen Absorptionsspektren verantwortlich sind, sowie Methoden berücksichtigt, die von \textit{ab-initio} bis zum semiempirischen Ansatz reichen. LC-DFTB konnte qualitativ den gleichen Trend reproduzieren wie die LC-DFT Funktionale hinsichtlich der Beschreibung der Einflussfaktoren auf die Absorptionsspektren von Retinal und BChl a. Während LC-DFTB jedoch Schwächen in der Anwendung an Rhodopsinen zeigte, waren die Ergebnisse für Lichtsammelkomplexe in guter Übereinstimmung mit denen von $\textit{ab-initio}$ Methoden. LC-DFTB ist damit vielversprechend, mit dem Potenzial für weitere Untersuchungen.

Der $\textit{pre-gating}$ Prozess von ChR2-WT wurde mit Methoden untersucht, die sowohl auf einem klassischen als auch auf einem QM/MM Ansatz basieren. Somit ergaben sich aus QM/MM und klassischen MD Simulationen mehrere Teilzustände des ersten Zwischenzustands des Photozyklus. Nachfolgend, wurden mit diesen Strukturen UV/Vis- und Vibrationsspektren berechnet, die in guter Übereinstimmung mit dem Experiment waren. Somit konnte ein möglicher $\textit{pre-gating}$ Prozess abgeleitet werden. Dies ermöglicht weitere Untersuchungen der folgenden Zwischenzustände des Photozyklus, um den detaillierten Mechanismus und die Funktion von ChR2-WT zu verstehen.

Rhodopsins and light-harvesting (LH) complexes are light-activated proteins involved in natural processes like vision or photosynthesis. To understand their detailed mechanism, multi-scale methods are needed due
to their size and the complex environment in which the chromophore is embedded. New and efficient methods are thus highly desirable.
In this work, the recent time-dependent extension of the efficient LC-DFTB method was therefore validated for its application to rhodopsins and LH complexes via a systematic benchmark. Additionally, established methods were used for the investigation of the pre-gating process of the light-gated ion channel channelrhodopsin-2 wild-type (ChR2-WT). ... mehr

The benchmark study was performed on both the isolated chromophores retinal and bacteriochlorophyll a (BChl a) as well as on the biological system as a whole. Influencing factors responsible for their characteristic absorption spectra as well as methods ranging from $\textit{ab-initio}$ to semiempiric levels of theory were taken into account. LC-DFTB could qualitatively reproduce the same trend as the LC-DFT functionals with regard to describe the influencing factors on the absorption spectra of retinal and BChl a.
Even though, LC-DFTB showed weaknesses in the performance of rhodopsins, for LH complexes the results were in good agreement to those of $\textit{ab-initio}$ methods. LC-DFTB is therefore promising with the potential for further investigations.

The pre-gating process of ChR2-WT was investigated using methods based on both a classical as well as a QM/MM approach. Hence, QM/MM and classical MD simulations revealed several substates which are present in the first intermediate state of the photocycle. Subsequently, UV/Vis and vibration spectra were computed with these structures. The results were in good agreement with the experiment, suggesting a possible pre-gating process. This enables further investigations of the following intermediate states of the photocycle to understand the detailed mechanism and function of ChR2-WT.