Novel Non-Linear Spectroscopic Probes of the Primary Photoreactions of Photolyases and Cryptochromes

• Applicant: Professor Dr. Benjamin Fingerhut
• Subject Area: Theoretical Chemistry: Molecules, Materials, Surfaces ; Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2014 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 260966011

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Innerhalb des Emmy Noether-Projektes wurden Simulationsmethoden zur Beschreibung ultraschneller Dynamik in molekularen und biomolekularen Systemen entwickelt. Ziel war es, die Entwicklung neuartiger, moderner spektroskopischer Simulationsmethoden zur Auflösung ultraschneller Primärprozesse und struktureller Dynamik voranzutreiben. Die entwickelten Simulationsprotokolle und multidimensional spektroskopischen Nachweisverfahren ermöglichen hierbei Einblick in komplexe biomolekulare Systeme und Fragestellungen. So ist es uns gelingen, eine Verknüpfung der bekannten Strukturen von Photolyase (PL) und Drosophila Cryptochrom (dCRY) mit ihrer lichtinduzierten Dynamik zu ermöglichen, um umfassenden Einblick in die jeweiligen Proteinfunktionen zu erhalten. Unsere methodischen Entwicklungen nicht-störungstheoretischer Pfadintegrationsmethoden zur Echtzeitbeschreibung offener Quantensysteme ermöglichte es, die Dynamik von makromolekularen, biologisch und technisch relevanten Systemen mikroskopisch zu modellieren. Unsere dynamische Beschreibung der dCRY-Funktionalität berücksichtigt thermische Fluktuationen der biologischen Umgebung und ermöglicht es, die Ladungstransferdynamik in dCRY zu untersuchen. Unsere Untersuchungen liefern mikroskopischen Einblick in auftretende Ladungstransferpfade in dCRY, wobei Kontrolle der lokalen elektrostatischen Umgebung und Energetik durch ausgezeichnete Aminosäuren erreicht wird. Die Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit von Ladungsseparation in Richtung der C-terminalen Erweiterung, zusätzlich zu konventionell diskutierten Ladungstransferpfaden. Wir identifizieren ausgezeichnete Mutationsstellen, die es erlauben die relative Gewichtung verschiedener Elektronentransferpfade zu kontrollieren. Unsere Simulation an 64-Photolyase legen eine aktive Beteiligung der Adenin-Einheit des FADH-Co-Faktors als intermediärer Eletronentransferzustand in der primären Fotoreaktion nahe. Die Untersuchungen identifizieren Aminosäuren, die entscheidend für die Stabilisierung individueller Ladungstransferzustände sind und eine dynamische Rolle der Enzymumgebung im Ladungstransferprozess nahe legen. Es wurden Simulationsprotokolle für moderne, nicht-linear spektroskopische Detektionsmethoden entwickelt, um eine mikroskopische Interpretationen experimenteller Befunde zu ermöglichen. Die Simulation von Femtosekunden stimulierten Raman-Spektroskopie-Signalen der Cyclobutan-Thymin-Dimer-Schadensreversion bietet die Möglichkeit ultraschnelle, licht-induzierte Prozesse mit hoher spektraler und zeitlicher Auflösung aufzunehmen und den zentralen intradimeren C6-C6’-Bindungsbruch als geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in Echtzeit zu verfolgen. In Kollaboration mit Experimentatoren des Max-Born-Instituts erfolgten Untersuchungen der Solvatationsdynamik hydratisierter Überschussprotonen mittels zweidimensionaler Infrarotspektroskopie (2D-IR). Diese identifizierten das Zundel-Motiv H5O2+ als Spezies beträchtlicher Konzentration in Wasser, jenseits einer Charakterisierung als flüchtiger Übergangszustand. Die Quantifizierung nicht-kovalenter Wechselwirkungen von DNA und RNA mit ihrer nativen wässrigen Umgebung mittels 2D-IR-Spektroskopie ermöglichte neue Einblicke in die kontaktionenvermittelte Stabilisierung komplexer biomolekularer Systeme wie Transfer RNA. Die Ergebnisse erlauben quantitativen Einblick in die elektrischen Eigenschaften eines biologischen Schlüsselmolekül und unterstreichen die Bedeutung molekularer Sonden für die Aufklärung der relevanten Wechselwirkungen. Die Befunde sind wichtig für das Verständnis der Dynamik von Wasser an biologischen Grenzflächen wie etwa geladenen Zellmembranen und Proteinoberflächen. Die erfolgreiche Arbeit der Nachwuchsgruppe wurde mit dem 2016 Robin Hochstrasser Young Investigator Award und dem 2020 Coblentz Award ausgezeichnet. Die Preise würdigen die Erfolge des Projektes in der Echtzeituntersuchung ultraschneller Dynamik von biomolekularen Systemen mittels neuartiger, rechnergestützter Simulationsprotokolle. Diese ermöglichen neuen Einblick in die fluktuationsinduzierte Dekohärenzdynamik biomolekularer Systeme in wässriger und biologischer Umgebung.

Publications

• (2014): Femtosecond stimulated Raman spectroscopy of the cyclobutane thymine dimer repair mechanism: A computational study, J. Am. Chem. Soc. 136, 14801-14810
  H. Ando, B. P. Fingerhut, K. E. Dorfman, J. D. Biggs, and S. Mukamel
  
• (2016). Simulation of Multi-Dimensional Signals in the Optical Domain: Quantum-Classical Feedback in Nonlinear Exciton Propagation. J. Chem. Theory Comput. 12, 3284-3294
  M. Richter, and B. P. Fingerhut
  
• (2017): Coarse-Grained Representation of the Quasi Adiabatic Propagator Path Integral for the Treatment of Non-Markovian Long-Time Bath Memory. J. Chem. Phys. 146, 214101
  M. Richter, and B. P. Fingerhut
  
• (2017): Large-Amplitude Transfer Motions of the Hydrated Excess Proton Mapped by Ultrafast 2D IR Spectroscopy. Science 357, 491-495
  F. Dahms, B. P. Fingerhut, E. T. J. Nibbering, E. Pines, and T. Elsaesser
  
• (2017): Simulating Coherent Multidimensional Spectroscopy of Nonadiabatic Molecular Processes; from the Infrared to the X-ray Regime. Chem. Rev. 117,12165-12226
  M. Kowalewski, B. P. Fingerhut, K. E. Dorfman, K. Bennett, and S. Mukamel
  
• (2019): Phosphate−Magnesium Ion Interactions in Water Probed by Ultrafast Two-Dimensional Infrared Spectroscopy. J. Phys. Chem Lett. 10, 238-243
  J. Schauss, F. Dahms, B. P. Fingerhut, and T. Elsaesser
  
• (2020): Field-Induced Tunneling Ionization and Terahertz-Driven Electron Dynamics in Liquid Water. J. Phys. Chem. Lett., J. Phys. Chem. Lett. 11, 7717-7722
  A. Ghalgaoui, L. Koll, B. Schütte, B. P. Fingerhut, K. Reimann, M. Woerner, and T. Elsaesser
  
• (2020): On the Role of Non-Diagonal System-Bath Interaction in Long-Range Electron Transfer. J. Chem. Phys. 153, 185101
  N. Acharyya, R. Ovcharenko, and B. P. Fingerhut
  
• (2020): Regulatory impact of the C-terminal tail on charge transfer pathways in Drosophila Cryptochrome. Molecules 25, 4810
  M. Richter and B. P. Fingerhut
  
• (2021): Magnesium Contact Ions Stabilize the Tertiary Structure of Transfer RNA: Electrostatics Mapped by Two-Dimensional Infrared Spectra and Theoretical Simulations, J. Phys. Chem. B. 125, 740-747
  J. Schauss, A. Kundu, B. P. Fingerhut and T. Elsaesser