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綠色熒光蛋白（green fluorescent protein, GFP）是一種在當(dāng)今生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中被廣泛使用的示蹤物，三位科學(xué)家也因?qū)?/span>GFP的發(fā)現(xiàn)和研究分享2008年的諾貝爾化學(xué)獎。而與GFP極高的熒光量子產(chǎn)率相比，其核心發(fā)色團(tuán)（p-HBDI）在溶液中的熒光量子產(chǎn)率極低，因此對GFP發(fā)色團(tuán)及相關(guān)類似物的發(fā)光機(jī)理的研究也獲得了廣泛的關(guān)注（圖 1）。最近，實(shí)驗(yàn)上通過化學(xué)修飾新合成了鄰羥基綠色熒光蛋白發(fā)色團(tuán)(o-LHBDI)，具有顯著的熒光發(fā)光效應(yīng)，然而其熒光增強(qiáng)的機(jī)理并不清楚。

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圖1：綠色熒光蛋白核心發(fā)色團(tuán)及其類似物結(jié)構(gòu)。

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化學(xué)學(xué)院崔剛龍、方維海研究組和德國馬普所Thiel教授合作，采用高精度的靜態(tài)電子結(jié)構(gòu)計(jì)算(MS-CASPT2, CASSCF)結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)非絕熱動力學(xué)模擬(OM2/MRCI)詳細(xì)探究了o-LHBDI的光化學(xué)與光物理過程，并與另外兩種廣泛研究的GFP發(fā)色團(tuán)的光化學(xué)與光物理過程進(jìn)行了比較（圖 2）。計(jì)算結(jié)果表明，光誘導(dǎo)的激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移及化學(xué)修飾對GFP發(fā)色團(tuán)的熒光強(qiáng)度具有重要的影響。在激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移前后，分別存在醇式和酮式結(jié)構(gòu)的圓錐交叉點(diǎn)，對于不涉及激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移的體系，如p-LHBDI, 分子到達(dá)激發(fā)態(tài)后，可通過醇式結(jié)構(gòu)的圓錐交叉點(diǎn)完成超快的激發(fā)態(tài)失活，導(dǎo)致熒光猝滅；對于有激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移而未進(jìn)行化學(xué)修飾的體系，如o-HBDI，分子在激發(fā)態(tài)上可通過超快的激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移，生成酮式結(jié)構(gòu)后，通過酮式結(jié)構(gòu)的圓錐交叉點(diǎn)完成超快的激發(fā)態(tài)失活，導(dǎo)致熒光猝滅； 而對于同時(shí)擁有激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移并經(jīng)過化學(xué)修飾的結(jié)構(gòu)o-LHBDI，在激發(fā)至激發(fā)態(tài)后，首先將通過一個超快的激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程完成由醇式結(jié)構(gòu)到酮式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，之后，由于化學(xué)修飾作用，激發(fā)態(tài)分子難以由酮式結(jié)構(gòu)的圓錐交叉點(diǎn)完成超快的激發(fā)態(tài)失活，導(dǎo)致體系的熒光效應(yīng)顯著增強(qiáng)。光誘導(dǎo)的激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移及化學(xué)修飾兩者的協(xié)同作用導(dǎo)致了GFP發(fā)色團(tuán)迥異的激發(fā)態(tài)動力學(xué)行為。本研究為設(shè)計(jì)更好的熒光蛋白發(fā)色團(tuán)提供了理論依據(jù)。

相關(guān)成果發(fā)表于《Journal of Chemical Theory and Computation》: (Excited-State Proton-Transfer-Induced Trapping Enhances the Fluorescence Emission of a Locked GFP Chromophore, Xiang-Yang Liu, Xue-Ping Chang, Shu-Hua Xia, Ganglong Cui,* and Walter Thiel*, J. Chem. Theory Comput. DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00894)。該工作得到基金委優(yōu)秀青年基金和重點(diǎn)國際合作項(xiàng)目基金資助。

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圖2：三種不同的綠色熒光蛋白發(fā)色團(tuán)光物理與光化學(xué)的機(jī)理比較。