Научные достижения химического факультета
18.01.2022
Химики МГУ создали сверхбыстрый молекулярный мотор
Сотрудники кафедры физической
химии Химического факультета МГУ выяснили связь между скоростью первичного
химического процесса, который происходит в светочувствительных мембранных
транспортных белках живых клеток, и геометрией их активного центра, отвечающего
за поглощение и преобразование энергии света. Открытие позволило предложить
модификацию химической структуры фотоактивной молекулы, которая может так же
быстро вращаться в одну сторону вне белкового окружения, что открывает путь для
создания нового класса сверхбыстрых молекулярных моторов. Работа, выполненная при
поддержке Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society, а также в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.
Протекающие под действием света
биохимические реакции – одни из самых быстрых и эффективных из известных в
природе. К таким процессам относится фотоизомеризация – изменение
геометрической структуры молекулы, происходящее при действии света. В белках
фотоизомеризация происходит за сотни фемтосекунд (10-13 с) и поэтому
считается сложнейшим для изучения процессом.
– "В работе мы изучали
фотоизомеризацию белка из семейства родопсинов, – рассказал аспирант, соавтор
исследования Павел Кусочек. – Родопсины находятся в наших зрительных клетках, в
колбочках и палочках в глазе. У бактерий они входят в состав клеточных мембран
и выполняют разные функции, важнейшая из которых – перенос ионов через
мембрану".
Начинаются "приключения"
родопсина с фотоизомеризации ретиналя – небелковой органической молекулы,
входящей в состав активного центра родопсина. Рядом с ретиналем находятся
заряженные остатки аминокислот, создающие его белковое окружение.
– "Мы попытались дать ответ на
вопрос, как белковое окружение помогает фотоизомеризации ретиналя, – пояснила руководитель
лаборатории квантовой фотодинамики, соавтор работы, доцент, к.ф.-м.н. Анастасия
Боченкова. – Ранее нам удалось установить, что в изолированном состоянии, без
белкового окружения, изомеризация идет гораздо медленнее".
Ученым удалось подметить интересную
особенность фотохимического процесса изомеризации в родопсине. Некоторые
молекулы ретиналя после поглощения света не изомеризуются, а возвращаются в
исходное состояние. Одной из причин этого феномена может быть разная геометрия
активного центра: пространственное расположение ретиналя и расстояние до
аминокислотных остатков.
– "С помощью методов квантовой
химии высокого уровня точности мы увидели, что молекулы с разными структурами
активного центра реагировали на действие света по-разному, – рассказала
Анастасия Боченкова. – Более скрученная структура ретиналя изомеризовалась
эффективнее всего".
Детальное понимание механизмов
сверхбыстрых фотохимических реакций, происходящих в природе, может помочь
ученым моделировать подобные процессы и использовать их в технике. Например, в
новейшем исследовании авторы совместно с датскими коллегами достигли того, что
химически модифицированный ретиналь в изолированном состоянии смог
изомеризоваться так же быстро, как и в белковом окружении.
– "Предложенная модификация также
обладает однонаправленным вращением при фотоизомеризации, – рассказал
дипломник, соавтор исследования Адиль Кабылда. – Поглощение последовательно
двух фотонов приводит к очень быстрому провороту молекулы по одной из двойных
связей на 360 градусов, причем молекула вращается всегда в одном направлении".
Работа открывает путь к созданию
нового класса сверхбыстрых молекулярных моторов – молекул, использующих энергию
света для совершения механической работы на нанометровом масштабе.
– "Мы преодолели ряд существующих
ограничений в дизайне и применении молекулярных моторов, что позволит создать
сверхбыстрые молекулярные двигатели с большим КПД, работа которых инициируется
поглощением безопасного для живых тканей и организмов красного света", –
подвела итог Анастасия Боченкова.
Для квантовохимических расчетов
были использованы ресурсы суперкомпьютерного комплекса Ломоносов-2.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 17-13-01276
Ссылки на статьи:
Pavel A. Kusochek, Andrei V. Scherbinin, and Anastasia V. Bochenkova
Insights into the Early-Time Excited-State Dynamics of Structurally Inhomogeneous Rhodopsin KR2
J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 35, 8664–8671
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c02312
Elisabeth Gruber, Adil M. Kabylda, Mogens Brøndsted Nielsen, Anne P. Rasmussen, Ricky Teiwes, Pavel A. Kusochek, Anastasia V. Bochenkova, and Lars H. Andersen
Light Driven Ultrafast Bioinspired Molecular Motors: Steering and Accelerating Photoisomerization Dynamics of Retinal
J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1, 69–73
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c10752
