QM/MM-Studien der Photochemie von Biochromophoren in Lösung und in Proteinumgebungen

• Antragsteller: Dr. Deniz Tuna
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329677960

Sonnenlicht-absorbierende Biomoleküle oder Proteine bezeichnet man als Biochromophore. Klassifizieren lassen sich solche photoaktiven Biomoleküle entweder als Lichtfilter, welche empfindlichere biologische Strukturen schützen (z.B. Kynurenine in der Augenlinse, welche die Netzhaut vor UV-Schäden schützen), oder als biomolekulare Maschinen, welche das Sonnenlicht nutzen um eine chemische Umwandlung auszulösen (z.B. Rhodopsin in der Netzhaut). Einblicke in fundamentale physiologische und biologische photoinduzierte molekulare Prozesse in der Natur können gewonnen werden durch die Erkundung der Photophysik und der Photochemie von Biochromophoren, welche in ihre natürliche Umgebung eingebettet sind, entweder eine Solvathülle oder eine Proteinumgebung. In diesem Antrag schlage ich vor, die Photophysik und die Photochemie von zwei physiologisch bzw. biologisch relevanten Biochromophoren durch Computer-chemische Methoden in ihrer natürlichen Umgebung zu erforschen: den dermalen UV-Filter Urocansäure eingebettet in Wasser und das photoaktive Protein Orange Carotenoid Protein (OCP), welches sich in den Lichtsammelkomplexen von Cyanobakterien findet und ein Carotinoid als Chromophor aufweist. Um die photochemische Reaktivität der Moleküle sowie ihr dynamisches Verhalten zu erleuchten, schwebt mir vor sowohl einen statischen Ansatz für die Erkundung von Potentialhyperflächen von angeregten Zuständen der relevanten photochemischen Prozesse zu verfolgen, als auch einen dynamischen Ansatz durch die Simulation der nichtadiabatischen Moleküldynamik. Diese Studien sollen mithilfe der QM/MM-Methodik durchgeführt werden, wobei für den QM-Teil die MS-CASPT2-Methode für Urocansäure sowie eine hocheffiziente GPU-basierte Implementierung der SA-CASSCF-Methode in TeraChem für das Carotinoid-Chromophor von OCP verwendet werden sollen. Die ab-initio-full-multiple-spawning-Methode soll für die nichtadiabatischen Dynamiksimulationen verwendet werden. Ich bewerbe mich dafür, diese Studien in der Gruppe von Prof. Todd J. Martínez an der Universität Stanford durchzuführen. Eine erfolgreiche Umsetzung dieser Pläne würde den Wissensstand dieser beiden hochwichtigen Biomoleküle signifikant erweitern und den Weg ebnen für größere und komplexere QM/MM-Studien der biologischen Reaktivität dieser Moleküle, welche durch ihre Wechselwirkung mit diversen Reaktionspartnern in ihrer natürlichen Umgebung gegeben ist.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Todd J. Martínez, Ph.D.