Anabaena Sensory Rhodopsin: Ein biologisches Modellsystem zur Untersuchung der Mechanismen von photochemischen Reaktionen durch konische Durchschneidungen

• Antragsteller: Dr. Tiago Buckup
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259037069

Die ultraschnelle Photoisomerisierung von Retinal, das sich in Form einer protonierten Schiff'schen Base in Retinalproteinen befindet (Beisp. Sehpigment Rhodopsin), gehört zu den wichtigsten Photoreaktionen in der Natur, bei der Photonen in chemische Energie umgewandelt werden. Trotz langjähriger Forschung ist es bislang nur ansatzweise gelungen, den Reaktionsmechanismus im Detail zu verstehen und die Rolle der Proteinumgebung aufzuklären. Eine der wesentlichen noch offenen Fragen betrifft den erheblichen Unterschied zwischen Rhodopsin und Retinalproteinen von Mikroorganismen in Bezug auf Reaktionsraten und auf die Quantenausbeute der Photoisomerisierung.In diesem Projekt werden wir die Photoreaktionen des Retinals im Protein "Anabaena Sensory Rhodopsin" (ASR) mit state-of-the-art Techniken der kohärenten, nichtlinearen Ultrakurzzeitspektroskope und mit modernen quantenchemischen Methoden untersuchen. ASR ist ein ideales System, um die offenen Fragen von experimenteller und theoretischer Seite her zu beantworten, denn ASR ermöglicht es, die Retinal-Photodynamik in den zwei biologisch aktiven cis- und trans-Formen in ein und derselben Proteinumgebung zu vergleichen. In unserem gemeinsamen experimentellen und theoretischen Ansatz werden wir uns auf das Zusammenspiel von elektronischer und vibrationeller Dynamik während der Photoreaktion konzentrieren. Dazu werden die neuesten Methoden der Ultrakurzzeitspektropskopie entwickelt und angewendet, die auf zeitaufgelöster Spektroskopie der Schwingungskohärenzen und auf 2D- Kohärenzspektroskopie der elektronischen Übergänge beruhen. Da diese experimentellen Methoden besonders empfindlich für unterschiedlichen molekularen Freiheitsgrade sind, die an der Reaktion teilnehmen, wird ihre Anwendung es möglich machen, eine Kartographie der Entwicklung der zeitabhängigen Populationen und Kohärenzen im Laufe der nicht-adiabatischen Photoreaktion des ASR zu erstellen. Außerdem werden wir neuartige quantenchemische Simulationen entwickeln und anwenden, die auf Berechnungen der molekularen Trajektorien im angeregten Zustand beruhen. Damit wird es möglich sein, die Mechanismen der Photoreaktion quantitativ zu verstehen, insbesondere im Hinblick auf die Identifizierung der Schwingungsmoden, die zur Reaktion führen und die Quantenausbeute der Reaktion bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Nicolas Ferré; Professor Dr. Stefan Haacke