Time-resolved spectroscopic characterization of blue-light photo-receptors
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war es, die Photozyklen verschiedener biologischer Blaulichtrezeptoren aus Pflanzen und Algen mit transienter optischer Spektroskopie zu untersuchen. Im Mittelpunkt des Interesses standen Light-Oxygen-Voltage (LOV) Domänen. Diese sind die einzigen biologischen Photorezeptoren, in denen der photochemische Primärschritt nicht schon in wenigen Pikosekunden gebildet wird. Vielmehr bildet sich, ausgehend vom Triplett-Zustand des Flavin-Chromophors, auf einer Zeitskala von etwa einer Mikrosekunde ein kovalent gebundenes Addukt mit einem Cysteinrest des Proteins aus. Da der gesamte Photozyklus mehrere Minuten dauert und die Herstellung größerer Proteinmengen aufwendig ist, sind spektroskopische Verfahren mit hoher Repetitionsrate und Durchflussküvetten weniger geeignet. Als erste Aufgabe wurde daher ein neuartiges Multiplex-Verfahren für die möglichst effiziente Messung transienter Absorptionsspektren mit möglichst wenig Substanz und möglichst wenig Anregungszyklen entwickelt. Hierbei wird nach jeder gepulsten Anregung der Probe ein spektral und zeitlich breiter Lichtpuls durch die Probe geleitet. Dieses Messlicht wird dann in einem Spektrographen spektral zerlegt, und anschließend in einer Streakkamera zeitlich dispergiert. Bereits mit einem einzigen Laserpuls kann man die Spektren der intensivsten Transienten bestimmen, für eine brauchbare Bestimmung der Lebensdauern reichen ca. 10 Pulse. Untersucht wurden vor allem die LOV-Domänen aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii sowie eine Vielzahl von Mutanten davon, daneben aber auch ein Cryptochrom aus derselben Alge, und ein Rhodopsin aus der Grünalge Acetabularia. Die Streakkamera-Messungen wurden ergänzt durch Experimente zur Photochemie und Redoxchemie dieser Proteine. Diese Erkenntnisse wurden dann übertragen auf die Untersuchung eines Photokatalysators für die organische Synthese, der auf dem Flavin-Chromophor basiert. Parallel zu den Experimenten wurden Computersimulationen durchgeführt mit dem Ziel, die Strukturänderungen der Proteine nach erfolgter Photoreaktion zu beschreiben. Hierzu mussten Verfahren entwickelt werden, welche auch lange Zeiträume (Mikrosekunden bis Sekunden) erfassen können. Besonders vielversprechend erscheint eine Kombination der kinetischen Monte- Carlo (KMC) Methode mit klassischer Moleulardynamik (MD).
Publications
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E. Peter, B. Dick, S. A. Baeurle
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Unraveling the flavin-catalyzed photooxidation of benzylic alcohol with transient absorption spectroscopy from sub-pico- to microseconds. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (2011) 8869 – 8880
U. Megerle, M. Wenninger, R.-J. Kutta, R. Lechner, B.König, B. Dick, E. Riedle
