Ученые впервые охарактеризовали «темное» электронное состояние в светочувствительном фрагменте зеленого флуоресцентного белка. Химически изменив этот фрагмент, авторы целенаправленно «выключили» его свечение: в возникшем темном состоянии молекула не излучает свет, а накапливает энергию ультрафиолета, чтобы затем безопасно от нее избавиться. Защитный механизм запускается за рекордно короткое время — благодаря сверхбыстрой перестройке электронов и ядер молекула избегает разрушения под внешним излучением. Открытие будет полезно для разработки нового поколения солнцезащитных материалов и покрытий с программируемой фотостабильностью. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Молекулы, которые под действием света определенных длин волн испускают собственное свечение (флуоресценцию), широко используются в биомедицине и генетике в качестве молекулярных датчиков. Когда на них светят, они возбуждаются, а их электронная структура при этом меняется, благодаря чему поглощенная энергия тратится на собственное излучение. Однако существуют еще так называемые «темные» состояния: из основного состояния в них нельзя попасть, просто поглотив свет, и точно так же нельзя «выйти» из них с испусканием света.
Исследования показали, что такие состояния служат «ловушкой» для избыточной энергии, поглощенной «яркими» уровнями. «Темные» состояния перехватывают энергию и временно удерживают ее, после чего рассеивают избыточную энергию в тепло. Это не дает разрушить светочувствительную молекулу. При этом данных о том, как вещество переходит в «темное» состояние и как выходит из него, до сих пор не было, что ограничивало возможность управлять этим процессом и тем самым настраивать фотозащитные свойства молекул.
Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с коллегами из Университета Дарема (Великобритания) и Орхусского университета (Дания) впервые детально проследили за возникновением «темного» состояния в модифицированном хромофоре (чувствительном к свету участке) зеленого флуоресцентного белка. Этот белок биологи используют в качестве светящейся метки для отслеживания работы генов и белков, а также наблюдения за ростом опухолей.
Авторы изменили структуру хромофора так, чтобы целенаправленно создать в нем «темное» состояние — долгоживущую электронную конфигурацию, из которой испускание света подавлено. Для этого исследователи передвинули одну из химических групп в хромофоре в другое положение, что усилило склонность молекулы к внутримолекулярному переносу заряда при возбуждении.
Ученые поместили модифицированные отрицательно заряженные хромофоры в электростатическое ионное накопительное кольцо — устройство, в котором молекулярные ионы находятся в глубоком вакууме и полностью изолированы от любых внешних воздействий и посторонних веществ. Затем на хромофоры подействовали сверхкороткими лазерными импульсами, переводя их в возбужденное электронное состояние. В этих «стерильных» условиях ни одна особенность поведения вещества не маскируется взаимодействием с окружением, что позволяет в буквальном смысле проследить за судьбой каждой молекулы от момента поглощения фотона до заселения «темного» состояния и последующего возвращения в основное состояние.
Оказалось, что после возбуждения до «яркого» состояния хромофор переходит в «темное» всего за 100 фемтосекунд — время, в десять триллионов раз меньше секунды, — и остается в нем почти 100 пикосекунд (в тысячу раз дольше времени перехода), что по меркам внутримолекулярных процессов считается очень долгим периодом.
«Это состояние работает как молекулярный предохранитель — сверхбыстрая энергетическая ловушка. Оно позволяет перехватить избыточную электронную энергию и избежать разрушения молекулы. Секрет защиты от ультрафиолета кроется в синхронной сверхбыстрой перестройке электронов и ядер в молекуле. Это предотвращает распад молекул на опасные свободные радикалы и электроны», — поясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анастасия Боченкова, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией квантовой фотодинамики и доцент кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Аналогичный защитный механизм известен в каротиноидах — природных пигментах, работающих в фотосинтетических комплексах растений и бактерий. В искусственно модифицированном хромофоре авторам, таким образом, удалось воспроизвести высокоэффективный природный механизм ультрабыстрого «переключателя» для активации фотозащиты. Однако в отличие от каротиноидов у модифицированного хромофора темное состояние сочетается со значительным переносом заряда внутри молекулы.
Ученые подчеркивают, что благодаря такому переносу заряда «темным» состоянием можно управлять, меняя окружение молекулы, например, растворитель или структуру белка вокруг хромофора. На практике это открывает новые возможности для создания сверхпрочных полимеров, устойчивых к ультрафиолетовому излучению, и биосенсоров, которые должны быстро и точно переключаться между «включенным» и «выключенным» состояниями.
«В дальнейшем мы планируем исследовать, как именно полярность и природа окружения влияют на динамику и время жизни “темного” состояния в химически модифицированных хромофорах. Сопоставление данных, полученных в газовой фазе, с поведением хромофора в растворах и белках позволит построить количественную модель настройки фотозащитных свойств», — рассказывает Анастасия Боченкова.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
