Computational study of the photophysical properties of two related photosensitizer proteins

Abstract: Den ökande koldioxidhalten i atmosfären har lett till ett ökat intresse för användning av solljus, ett exempel är inom kemi. Att använda ljus i kemi kan leda till nya och intressanta kemiska reaktioner och kan tillämpas i användningsområden som exempelvis fotokatalys och fotovoltaik. Genom att kombinera de kraftfulla egenskaperna av ljus i kemi med den höga selektivitet som karaktäriserar proteiner kan intressanta och kraftfulla maskinerier erhållas, så kallade fotoaktiva proteiner. Att studera de fotoinducerade beteendena i fotoaktiva proteiner är däremot icke-trivialt eftersom många utmaningar uppstår från ett experimentellt och teoretiskt perspektiv. Denna uppsats fokuserar på det teoretiska perspektivet. Simulationer av beteenden hos fotoaktiva proteiner leder till utmaningar relaterade till den stora variationen av tids- och längdskalor involverade, där allt ifrån ultrasnabba och lokaliserade excitationsprocesser till storskaliga strukturförändringar som utspelar sig på större tidsskalor. Detta, tillsammans med det faktum att det inte finns en "svart låda" som vi kan använda för nya teoretiska studier motiverar ett försiktigt tillvägagångssätt för teoretiska studier av fotoaktiva proteiner. I detta projekt görs en teoretisk undersökning av två nyligen framställda fotosensibiliserande proteiner (PSP2 och PSP3). De skapades för att härma huvudprocesserna av fotosyntesen i plantor. Fotosensibiliserande proteinerna skiljer sig med en enda aminosyra (position 203), som är en aspartat i PSP2 och en tyrosin i PSP3. Även fast proteinerna är strukturellt lika så uppvisar de olika fotoinducerade beteenden. Målet med denna studie är att klargöra för de mekanistiska detaljerna bakom dessa olikheter. Som ett första steg i att teoretiskt studera PSP2 och PSP3 upprättar vi ett protokoll för teoretisk förberedelse av proteinerna. Detta protokoll används sedan för att teoretiskt undersöka fotofysiken i dessa två proteiner med hjälp av kvantmekaniska/ molekylär mekaniska simuleringar. Våra resultat ger en första ordningens kartläggning av de exciterade tillstånden i de två proteinerna. Vi erhåller en intressant laddningsöverföring tillstånd i PSP3 som involverar tyrosinen och proteinets kromofor, med en energi lägre än det tillstånd ansvarig för absorption av ljus. Denna laddningsöverföring saknas i PSP2 och kan därför vara anledningen till de olika fotoinducerade beteendena i proteinerna. Detta kräver dock fortsatta studier av de två systemen.