Theoretisch Studien der nicht-linearen optischen Eigenschaften von fluoreszierenden Proteinen mit effizienten quantenchemischen Methoden

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Grimme
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450959503

Der hohe Rechenaufwand von Ab-initio-Berechnungen begrenzt die Anwendung für die elektronische Struktur großer Moleküle, z. B. bei biochemischen Systemen. Insbesondere die Untersuchung nichtlinearer optischer (NLO) Eigenschaften beschränkt sich derzeit auf Moleküle mit einer Größe von bis zu einigen hundert Atomen, was Systeme wie fluoreszierende Proteine praktisch nicht behandelbar macht. Das Design neuer, hell fluoreszierender Proteine für die NLO-Bildgebungsmikroskopie über genetisch codierte Bio-Tags erfordert jedoch das theoretische Verständnis von Phänomenen wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) oder der Zwei-Photonen-Absorption (2PA). Dieses Projekt zielt darauf ab, NLO-Eigenschaften von "neuartigen" (nicht-GFP) fluoreszierenden Proteinen mit effizienten quantenchemischen Methoden zu untersuchen. Im Anwendungsteil des Antrages werden hauptsächlich die kürzlich entdeckten fluoreszierenden Bilirubin-Proteine (UnaG und Derivate) bearbeitet. Das Hauptziel besteht darin, neue Erkenntnisse zu erlangen, wie ihre NLO-Eigenschaften verbessert werden können, z. B. durch Feinabstimmung des Chromophorhohlraums innerhalb des Proteins. Hierdurch könnten Laserlichtquellen mit geringerer Intensität zur Verringerung von Phototoxizitätsproblemen verwendet werden. Ein theoretisches Verfahren zur Erarbeitung von Entwurfsprinzipien wird vorgeschlagen, die dann in Kollaborationen experimentell getestet werden. In diesem Zusammenhang wird unsere etablierte, vereinfachte zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (sTD-DFT) verwendet und entsprechend erweitert. Insbesondere ist es noch nicht möglich, genaue 2PA-Übergänge mit sTD-DFT zu berechnen. Es werden Methodenentwicklungen durchgeführt, um dies zu beheben und die Genauigkeit bei der Berechnung dieser Querschnitte zu verbessern. Die vorhandene Monopolnäherung für die Zwei-Elektronen-Integrale wird durch eine Multipolexpansion ersetzt, die alle Terme zweiter Ordnung auf rechnerisch effiziente Weise liefert. Weiterhin wird die Wiedereinführung des Austauschkorrelationskerns in die linearen Antwortgleichungen untersucht, die für genaue 2PA-Querschnitte erforderlich sein könnte. Die Einbeziehung von Orbitalrelaxationseffekten in die quadratische Antwortfunktion wird ebenfalls untersucht. Für große fluoreszierende Proteine wird zunächst die vorhandene sTD-DFT-xTB Version verwendet. Zusätzlich zu dieser xTB-Version mit minimalem Atomorbital-Basissatz wird eine allgemeinere, nicht selbstkonsistente Version für große Systeme (gTB, allgemeiner (Basissatz) Tight-Binding) entwickelt, um die Genauigkeit insbesondere für 2PA-Übergänge zu verbessern, deren genaue Berechnung möglicherweise erweiterte Basissätze erfordert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen