Dokument: Spectroscopic and dynamic properties of electronically excited retinal in C1C2 channelrhodopsin

Titel:	Spectroscopic and dynamic properties of electronically excited retinal in C1C2 channelrhodopsin
Weiterer Titel:	Spektroskopische und dynamische Eigenschaften des elektronisch angeregten Retinals in C1C2 Channelrhodopsin
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47853
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181115-110910-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dokukina, Irina [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 43,61 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.11.2018 / geändert 14.11.2018
Beitragende:	PD Dr. Weingart, Oliver [Gutachter] Prof. Dr. Marian, Christel M. [Gutachter]
Stichwörter:	QM/MM, excited state dynamics, retinal, channelrhodopsins
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Channelrhodopsine (ChR) sind lichtgesteuerte Ionenkanäle, die eine besondere Rolle in der Optogenetik spielen. Deren Anwendung reicht von neurobiologischer Grundlagenforschung bis zur Entwicklung von Therapiemethoden gegen degenerative Erkrankungen. Die Öffnung des Ionenkanals wird durch lichtinduzierte all-trans zu 13-cis Isomerisierung des kovalent an das Protein gebundenen Co-Faktors Retinal ausgelöst. Ein grundlegendes Verständnis der Photoreaktion ist besonders für die Optimierung der Absorptions- und der Kinetikeigenschaften der ChR von Bedeutung. Im Fokus meiner Dissertation lag die Untersuchung der Retinalisomerisierung im chimären ChR C1C2 mit kombinierten quantenmechanischen und molekülmechanischen Methoden (QM/MM). Die von mir durchgeführte Arbeit beschäftigt sich sowohl mit der statischen Beschreibung des Grundzustands und der angeregten Zustände des Retinals als auch mit der Simulation der nichtadiabatischen Surface-Hopping Dynamik im angeregten Zustand. Das Spektrum der QM-Methoden umfasste ab initio (HF, CASSCF, MS- CASPT2) und semiempirische (DFT, DFT/MRCI, OMx/MRCI) Ansätze. Die MM-Beschreibung erfolgte mit dem Amber-Kraftfeld. Für die Ausführung der QM/MM Berechnungen wurde das Programmpaket COBRAMM verwendet, welches in Bologna, Düsseldorf und Lyon entwickelt wurde. Statische Berechnungen lieferten einen ersten Einblick in den möglichen Verlauf der Isomerisierung. Außerdem konnte der Einfluss der Umgebung auf die Absorptionseigenschaften des Retinals erfasst werden. Die während der statischen Studie durchgeführte Methodenvalidierung hat die Notwendigkeit der Multireferenzbeschreibung für das Retinal in C1C2 aufgezeigt. Im Hinblick auf die anspruchsvolle Modellierung der Dynamik bot sich der Einsatz semiempirischer OMx/MRCI Methoden an. Diese liefern qualitativ gute Ergebnisse bei geringem Rechenaufwand. Um den OMx/MRCI Ansatz verwenden zu können, habe ich das Programmpaket COBRAMM um eine Schnittstelle zum semiempirischen Programmpaket MNDO (entwickelt in der Gruppe von Prof. Walter Thiel) erweitert. Die Validierung der OMx-Methoden vor der Dynamik-Studie erfolgte an kleinen symmetrischen Polyenen und entsprechenden Modellen für protonierte Schiff Basen. In dieser Studie konnte nicht nur die Eignung der OMx-Methoden für die Dynamik gezeigt werden, sondern es wurden auch neue Einblicke in die Eigenschaften von π-konjugierten Systemen gewonnen. Die Untersuchung der Isomerisierung wurde durch OM3/MRCI Dynamikberechnungen vervollständigt. Diese lieferten die Quantenausbeuten der Photoprodukte sowie deren Verteilung und entsprechende Reaktionskonstanten. Außerdem konnten mögliche Reaktionsmechanismen beschrieben werden. Zusätzlich wurde ein Zusammenhang zwischen der Retinalstruktur und der Geschwindigkeit und Effizienz der Photoreaktion festgestellt. Daraus ergibt sich, dass eine Vorverdrillung der Chromophorstruktur zur Beschleunigung der Photoreaktion führen kann. Eine beschleunigte Photoreaktion wiederum führte in meinen Berechnungen zu einer erhöhten Photoproduktselektivität und einer hohen Ausbeute des 13-cis Isomers. Dieser Zusammenhang bietet neue Ansätze für die weitere Optimierung der Channelrhodopsine. Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels that play an important role in optogenetics. Their application ranges from basic neurobiological research to the development of therapies against severe degenerative diseases. The opening of an ion channel is triggered by all-trans to 13-cis isomerization of a co-factor, retinal, covalently bound to the protein. A detailed understanding of photoisomerization is particularly important for optimization of absorption and kinetic properties in ChRs. The research conducted within my thesis focused on the investigation of retinal isomerization in the chimeric channelrhodopsin C1C2. For this purpose, a combined quantum mechanical molecular mechanical (QM/MM) approach was applied. The current work comprises static calculations in ground and excited states of retinal as well as nonadiabatic excited state surface hopping dynamics. For the QM part, ab initio (HF, CASSCF, MS-CASPT2) and semiempirical strategies (DFT, DFT/MRCI, OMx/MRCI) were used. The MM part was described by the Amber force field. All QM/MM calculations were performed by using the in-house software package COBRAMM, which is developed in Bologna, Düsseldorf and Lyon. Static calculations provided first insight into the photoreaction and document the influence of the environment on the absorption properties of retinal. These calculations showed that highly demanding multireference strategies are necessary to properly describe the electronic properties of retinal in C1C2. I decided to use the semiempirical OMx/MRCI approach for my calculations because it provides qualitatively accurate results at low computational cost. To use OMx/MRCI with COBRAMM, I implemented an interface to the semiempirical program package MNDO developed by the group of Prof. Walter Thiel. Validation of the new implementation was performed on small linear polyenes and corresponding protonated Schiff base models. This study did not only confirm the applicability of the OMx/MRCI methodology for dynamics studies, but also provided new insights into the excited state properties of π-conjugated systems. As a final step, I performed OM3/MRCI dynamics of retinal within C1C2, which delivered quantum yields and photoproduct distributions along with time constants of the excited state processes. These calculations also provided details on the possible isomerization mechanisms. An intriguing finding concerns the relationship between the structure of retinal and the speed and efficiency of the photoisomerization. An additional twist in the chromophore structure leads to an increase in photoreaction speed. Accelerated photoreaction in turn resulted in a highly selective photoproduct formation and high quantum yield of the 13-cis retinal. This relationship might be used as a design strategy for novel ChR variants.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	15.11.2018
Dateien geändert am:	15.11.2018
Promotionsantrag am:	11.09.2018
Datum der Promotion:	26.10.2018