ИСТИНА

Цель данного проекта - установление механизмов фотоиндуцированного переноса электрона в биосистемах и оптимизация фотоэлектронных свойств фотоактивных белков для разработки светочувствительных редокс-биосенсоров

Photoinduced electron transfer plays a key role in various biological processes, such as solar energy conversion, DNA photodestruction, and photoactivation of sensor proteins. In connection with this undoubted interest in the photoelectronic properties of biological chromophores, the data can be used as a reference for comparison with traditional classical centers of photoactive biosystems and the principles that determine the patterns in the mechanisms of resonant electron transfer, including the formation of intermediates in electronically excited states, have been identified. This project is aimed at studying the mechanisms of electron transfer during photoexcitation of molecular anions in various media and establishing the role of electronically excited and resonant states in these processes. The project will propose new theoretical approaches to describe various electron emission channels during photoexcitation in a wide range of energies in both gas and condensed phases. A method will be developed for calculating the photoelectron spectra of anions of biological chromophores in solution and in a protein environment during multiphoton ionization and for calculating the rate constants of electron phototransfer with the participation of electronically excited states of molecular anions in different environments. Based on the developed approaches, the influence of the environment on the electronic structure of a number of chromophores of photoactive proteins will be studied. The role of vibronic interactions in the processes of electron phototransfer in photoactive proteins under irradiation in linear and nonlinear modes will be revealed. Based on the results obtained, possible ways to optimize the photoelectronic properties of photoactive proteins using chemical modifications and depending on the excitation wavelength will be proposed. Successful implementation of the project will significantly improve the understanding of the mechanisms of photoinduced electron transfer in various media, as well as establish the role of various electronically excited states, including dipole-bound states, in the processes of photoinduced electron transfer in biologically significant anion systems.

В рамках проекта будут разработаны теоретические подходы для моделирования фотоэлектронных спектров анионов биологических хромофоров в растворе и белковом окружении при многофотонной ионизации в режиме линейного и нелинейного возбуждения и расчета констант скоростей фотоиндуцированного переноса электрона с участием электронно-возбужденных состояний молекулярных анионов в различном окружении. С помощью разрабатываемых методов будут получены новые данные о влиянии окружения на электронную структуру хромофорных групп фотоактивных белков и установлена роль их электронно-возбужденных состояний в процессах фотопереноса электрона. Будут предложены пути оптимизации фотоэлектронных свойств хромофоров с помощью химических модификаций и в зависимости от длины волны возбуждения. Полученные результаты могут быть использованы для поиска эффективных путей управления процессами фотоиндуцированного переноса электрона, в частности, при окислительной фотоконверсии флуоресцентных белков, которая сопровождается изменением их спектральных характеристик. Повышение квантового выхода фотохромных превращений флуоресцентных белков позволит создать на их основе новые чувствительные редокс-биосенсоры с низким порогом обнаружения различных окислителей, таких как молекулярный кислород и его активные формы. Результаты проекта будут полностью соответствовать мировому уровню исследований в этой области.

Руководитель проекта является высококвалифицированным специалистом в области квантовой и физической химии с большим опытом в решении электронной задачи и моделировании свойств электронно-возбужденных молекулярных систем с помощью современных многоконфигурационных методов квантовой химии высокого уровня точности. В ноябре 2023 года в МГУ им была защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 1.4.4. Физическая химия на тему: "Развитие методов моделирования процессов электронной эмиссии при фотовозбуждении молекулярных анионов", в которой им был разработан единый подход для получения количественных оценок первого и последующих потенциалов отрыва электрона с молекулярных анионов как в газовой, так и конденсированной фазе. Исполнители проекта имеют достаточный опыт проведения квантово-химических расчетов с помощью различных методов квантовой химии, включая многоконфигурационный формализм теории возмущений. Они также обладают хорошими навыками программирования на языках С++ и Python, что является важным для реализации данного проекта.