De meeste methoden voor de structurele karakterisering van biomoleculen, zoals röntgenkristallografie of elektronenmicroscopie, vereisen statische of gekristalliseerde monsters. Het hechten van fluorescerende moleculen aan eiwitoppervlakken, echter, maakt directe beeldvorming van dynamische biomoleculaire interacties mogelijk met behulp van licht, die kan worden verbeterd, zeggen A*STAR-onderzoekers, met voorspellende modellering van de levensduur van de fluorescentie.

Fluorescentie omvat normaal gesproken afzonderlijke moleculen die spontaan licht absorberen en het vervolgens opnieuw uitstralen als een andere kleur. Maar onder de juiste omstandigheden een geabsorbeerd foton kan van een donormolecuul naar een nabijgelegen acceptorverbinding springen die ook fluoresceert. Onderzoekers hebben onlangs gebruik gemaakt van de sterke afstandsafhankelijkheid van dit effect om 'spectroscopische linialen' te produceren die de dynamiek op nanoschaal meten tussen donor- en acceptorprobes die aan verschillende delen van een eiwitruggengraat zijn bevestigd.

Een belangrijke uitdaging is om spectroscopische linialen te maken met een acceptabele nauwkeurigheid. Conventionele fluoroforen hebben grote, flexibele structuren die op meerdere manieren tegen eiwitten aandrukken, waardoor het lastig is om de lengte van de liniaal te meten. Dus om alternatieven te zoeken, Tsz Sian Chwee en collega's van het A*STAR Institute of High Performance Computing onderzochten of ze de fluorescentie konden berekenen van stijve en kleine moleculen die bekend staan ​​als syn-bimanen, en vervolgens dergelijke theorieën gebruiken voor het ontwerpen van sondes.

Typische kwantumchemische benaderingen, echter, problemen hebben met het berekenen van eigenschappen wanneer een molecuul een foton absorbeert en in een aangeslagen toestand komt. Chwee en zijn team hoopten deze onnauwkeurigheden te verhelpen met behulp van tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionaaltheorie die het probleem van geëxciteerde elektronen behandelt met een 'uitwisseling-correlatie'-algoritme dat gedeeltelijk is afgeleid van experimenten.

"Tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionaaltheorie wordt door de wetenschappelijke gemeenschap gebruikt om fenomenen zoals absorptie en emissie te bestuderen, maar het volledige potentieel van deze aanpak is nog niet benut, ' zegt Chwee.

Met behulp van fluorescentie-levens als testparameter, de onderzoekers vergeleken hoe verschillende uitwisselings-correlatietheorieën syn-bimanen simuleerden in realistische, met oplosmiddelen gevulde situaties. Deze proeven onthulden dat modellen met vibronische interacties - de gesynchroniseerde koppeling van moleculaire trillingen aan elektronische excitaties - de meest nauwkeurige voorspellingen gaven van de levensduur van fluorescentie. Ze ontdekten verschillende uitwisselings-correlatiefuncties die in staat zijn om deze vergelijkingen te verwerken tegen minimale rekenkosten.

"Vibronische aspecten zijn grotendeels over het hoofd gezien, hoewel ze een beslissende rol spelen in de fotofysica van fluorescerende moleculen, " merkt Chwee op. "Terwijl we onze berekeningen op supercomputers uitvoerden, de computerbronnen zijn zo bescheiden dat ze binnen een paar weken op een modern werkstation hadden kunnen worden voltooid."

Chwee verwacht dat snelle analyse met behulp van dichtheidsfunctionele theorieën mogelijk beter is in het spotten van zeldzame fluorescerende sondekandidaten met sterke absorptie- en afstembare emissie-eigenschappen.