Molekulares Verständnis der Photophysik und Photochemie des Cyanobakteriochroms Slr1393g3

• Antragsteller: Dr. Christian Wiebeler
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 336147210

Das vorgeschlagene Forschungsprojekt wird ein Verständnis der photophysikalischen, z.B. Absorption von sichtbarem Licht, sowie der photochemischen, z.B. Mechanismus der Isomerisierung des Chromophors, Eigenschaften des Photorezeptorproteins Slr1393g3 auf molekularem Niveau liefern. Für diesen Zweck werden zwei verschiedene Formen des Proteins (Reaktand und Produkt) untersucht: Eine Form absorbiert rotes Licht und die andere grünes. Diese beiden Formen können durch Bestrahlung mit Licht ineinander umgewandelt werden. Dies macht sie als Photoschalter interessant für biotechnologische Anwendungen. Experimentell bestimmte Kristallstrukturen werden als Ausgangspunkt der rechnergestützten Untersuchungen dienen. Das Forschungsprojekt profitiert von meinen bisherigen Erfahrungen bezüglich der Photophysik und Photochemie von konjugierten Systemen und photochromen Molekülen, die Thema meiner Promotion waren. Es ist in zwei Hauptprojekte gegliedert. Das erste Hauptprojekt dient zur Etablierung eines universellen Protokolls zur Bestimmung der spektroskopischen, d.h. photophysikalischen, Eigenschaften der beiden Formen mittels QM/MM-Verfahren. Das zweite Hauptprojekt widmet sich den photochemischen Eigenschaften: Zunächst wird ein geeignetes quantenmechanisches Verfahren zur Berechnung der durch Licht induzierten Dynamik für ein kleines Modellsystem gesucht, welches dann mittels QM/MM für die entsprechende Dynamik des Chromophor-Protein-Komplexes verwendet werden kann. Des Weiteren soll die Reaktivität im angeregten Zustand durch Minimum-Energie-Pfade vorhergesagt werden. Der vorgesehene Ansatz, der Experiment und Theorie kombiniert, wird ein grundlegendes Verständnis über die unterschiedlichen photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften der beiden Formen des Proteins liefern. Die so erhaltenen Einsichten werden dazu benutzt, um gezielt spezifische Veränderungen der statischen und dynamischen Eigenschaften herbeizuführen. Zu jedem Zeitpunkt werden die von uns berechneten Ergebnisse mit dem Experiment verglichen, um unsere Modelle zu verifizieren bzw. falls erforderlich zu verbessern. Schließlich wird das so erhaltene detaillierte Verständnis auf molekularem Niveau die Grundlage für das zukünftige wissensbasierte Design von Photorezeptoren bieten.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Israel
• Gastgeber: Professor Dr. Igor Schapiro