Родопсинами называют большое семейство фоточувствительных мембранных молекул. Родопсины I типа служат бактериям как световые сенсоры и участвуют в транспорте ионов, а родопсины II типа являются рецепторами, важными для работы зрения почти всех наземных позвоночных и некоторых рыб. Хотя их функции несколько отличаются, структура одинакова — пронизывающий мембрану белок опсин из семи спиралей и связанный с ним хромофор ретиналь. Последний присоединяется к белку через «мостик» N=C и получается так называемое основание Шиффа.
«Такие природные системы, а точнее их синтетические аналоги могут стать основой молекулярных машин — соединений, способных превращать энергию, например поглощенных фотонов, в механическую работу. Так, под действием света основание Шиффа ретиналя меняет свою геометрическую конфигурацию, или фотоизомеризуется, переходя из цис- в транс-форму. Это вращение, которое происходит очень быстро, высоко специфично и обладает большим квантовым выходом, то есть высокой эффективностью или КПД. В природе параметры такого процесса обусловлены белковым окружением, но в искусственных системах его может быть сложно воспроизвести. В своей работе мы продемонстрировали, как можно обойтись и без белков», — рассказывает Адиль Кабылда, бывший дипломник лаборатории квантовой фотодинамики, закончивший в этом году химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова.
Сотрудники Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) совместно с датскими коллегами химически модифицировали хромофоры ретиналь-содержащих белков и показали, как можно быстро произвести их фотоизомеризацию. Современные методы квантовой химии позволили российской стороне предсказать и теоретически объяснить действие молекулярного мотора, а сверхбыстрая спектроскопия помогла датским ученым экспериментально исследовать фотоиндуцированную динамику модифицированного ретиналя. Квантовохимические расчеты высокого уровня точности проводились с использованием суперкомпьютера «Ломоносов-2» МГУ.
У ретиналя есть довольно длинная углеводородная цепь, в которой одинарные С–С связи чередуются с двойными — именно двойные служат осью вращения при запускаемом светом цис-транс-переходе. Однако массивные фрагменты могут препятствовать изомеризации или же она пройдет не по тому пути, то есть не вокруг той связи, которая нужна: например, в результате образуется стабильное состояние, и вернуть молекулу в исходное окажется сложно. В результате проведенных расчетов российским исследователям удалось идентифицировать такой проблемный участок ретиналя и показать, что его фиксация позволяет обеспечить ускоренное однонаправленное вращение хромофора на 360° в изолированном состоянии, а не белковой среде.
«Наша разработка по сути решает одну из главных проблем молекулярных машин — проектирование эффективного светочувствительного молекулярного мотора, однонаправленное вращение которого на 360° связано с цис-транс изомеризацией по одной из двойных связей в сопряженной молекуле. Описанный процесс в модифицированном хромофоре ретиналь-содержащих белков происходит в два сверхбыстрых этапа, каждый из которых запускается поглощением фотона красного света с длиной волны 600 нанометров. Поскольку такой свет хорошо проникает в ткани и не вредит им, подобная молекулярная конструкция может пригодиться в различных наномедицинских приложениях», — подводит итог Анастасия Боченкова, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией квантовой фотодинамики, доцент химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
