ИСТИНА

Проект направлен на комплексное изучение сверхбыстрых процессов трансформации энергии в каротиноидных белках с целью установления механизмов функционирования природных пигмент-белковых комплексов и развития рациональных подходов создания новых молекулярных инструментов.

The project is aimed at a comprehensive study of ultrafast energy transformation processes in carotenoid proteins in order to establish the mechanisms of functioning of natural pigment-protein complexes and the development of rational approaches to creating new molecular tools. Carotenoid proteins (carotenoproteins) perform a number of unique biological functions, participating in reactions of selective binding and transport of specific carotenoids, increasing the efficiency of photosynthesis and photoreception by expanding the spectrum of action of photosystem chlorophylls and retinal in rhodopsins, delivering antioxidants to areas of the cell requiring protection from reactive oxygen species and photoprotection. Carotenoids can be both donors and acceptors in the chains of electron excitation energy transfer, are completely biocompatible, and demonstrate wide possibilities for spectral tuning of the carotenoid as part of a protein globule. All these properties make carotenoid proteins a promising platform for the development of new genetically encoded tools for research and control of biological systems from the subcellular to tissue level. The energy transformation of the absorbed carotenoid molecule in the protein complex occurs with the participation of closely located excited electronic states at times in the range of 10 fs-100 ps, ​​therefore, high-temporal-resolution laser spectroscopy methods should be used to study the relationship between the structure and functional properties of carotenoproteins. The Center for Analysis of Chemical, Biological Systems and Natural Materials provides a unique methodology for studying ultrafast processes of electron excitation energy transformation in the native state of carotenoproteins. The project proposes an integrated approach combining advanced experimental methods of laser spectroscopy, molecular biology and preparative biochemistry and molecular modeling methods to develop new approaches to creating proteins with desired properties based on carotenoproteins. The project involves studying three classes of carotenoproteins: 1. Carotenoid-binding protein AstaP, selected to study the selectivity of binding and spectral tuning of the carotenoid by the protein globule; 2. Orange carotenoid protein OCP is a unique photoreceptor that converts the energy of electronic excitation into large-scale conformational changes in the protein globule; 3. Xanthorhodopsins XR are unique representatives of the bacteriorhodopsin family that contain a carotenoid as a light-harvesting antenna. The selected objects of study cover all aspects of protein-pigment interactions in carotenoproteins and are a sufficient basis for the development of theoretical methods for the rational design of new biotechnological structures. The unique spectral data with high time resolution obtained with the help of the infrastructure object require interpretation in terms of electronic states using advanced quantum-chemical approaches. Based on the experimental data, optimal modeling methods will be selected and protocols will be developed that allow reliable prediction of the structural and functional characteristics of carotenoproteins. These protocols, in turn, will form the basis for rational modification of the properties of carotenoproteins. Available biochemical approaches allow synthesizing new predicted modifications of the protein globule using both classical mutagenesis and an extended set of non-canonical amino acids. The study is of both fundamental interest in connection with the study of photoreception and photoconversion mechanisms, and applied interest: photoswitchable protein constructs based on OCP and XR can be used in optogenetics.

Основными научными задачами проекта являются: скрининг трех классов белов семейства каротинопротеинов с помощью методов спектроскопии высокого временного разрешения; количественное моделирование электронных свойств наблюдаемых интермедиатов; развитие теоретических методов предсказания и рационального дизайна новых вариантов белков с заданными молекулярными фенотипами. Пока такие данные и подходы доступны для крайне ограниченного набора каротиноидных белков. Исполнители этого проекта имеют положительный опыт совместной работы с группой сотрудников ОИ (ФИЦ ХФ РАН). В 2021 году была проведена совместная работа по изучению сверхбыстрых процессов миграции энергии электронного возбуждения кантаксантина в ходе фотоактивации трех вариантов оранжевого каротиноидного белка (ОСР), результаты этого исследования опубликованы в высокорейтинговом издании (Yaroshevich, Igor A., et al. "Role of hydrogen bond alternation and charge transfer states in photoactivation of the Orange Carotenoid Protein." Communications biology 4.1 (2021): 539.). Работа за три года процитирована более 30 раз. Исследования легшие в основу этой публикации включает все компоненты, необходимые для успеха проекта. Во-первых, были синтезированы и выделены новые рекомбинантные варианты OCP. Во вторых, были проведены исследования сверхбыстрых спектральных характеристик каротиноида в составе новых вариантов ОСР. В третьих, на основании экспериментальных данных с помощью методов молекулярного моделирования был проведен анализ ключевых взаимодействий между пигментом и белком. Уникальной особенностью нашего научного коллектива является богатый опыт работы с многочисленными каротиноидными белками из различных царств живой природы, в том числе отработанные методы получения рекомбинантных белковых препаратов с включением специфических каротиноидов за счет использования систем ферментов, необходимых для синтеза каротиноидов в E. coli. Команда проекта специализируется на методах вычислительной квантовой химии, которые имеют особую актуальность ввиду сложного электронного строения каротиноидных молекул. Высокая делокализаций электронной плотнотсти обеспечивает сложный характер валентных и дисперсионных взаимодействий с участием каротиноидов, предсказание свойств которых представляется возможным только с использованием квантовой теории. Команда проекта имеет большой опыт изучения белков с помощью разнообразных методов молекулярного моделирования и биоинформатики, к которым, в том числе, относятся современные подходы предсказания трехмерной структуры белков на базе первичной последовательности с использованием искусственного интеллекта (ИИ), предсказание структуры и вычисление характера молекулярной динамики неструктурированных областей белков, расчет энергии неспецифических белок-белковых взаимодействий.

Руководитель проекта (Ярошевич И.А.) и основной исполнитель (Максимов Е.В.) являются специалистами в области исследования и модификации молекулярных свойств каротинопротеинов. Технологическим результатом их исследований является генетически-кодируемый спектральный температурный сенсор, являющийся белком-химерой оранжевого каротиноидного белка и зеденого флюоресцентного белка [Maksimov, E. G., Yaroshevich, I. A., Tsoraev, G. V., Sluchanko, N. N., Slutskaya, E. A., Shamborant, O. G., ... & Stepanov, A. V. (2019). A genetically encoded fluorescent temperature sensor derived from the photoactive Orange Carotenoid Protein. Scientific reports, 9(1), 8937.]. Также авторами проекта опубликована статья (Role of hydrogen bond alternation and charge transfer states in photoactivation of the orange carotenoid protein / I. A. Yaroshevich, E. G. Maksimov, N. N. Sluchanko et al. // Communications Biology. — 2021. — Vol. 4, no. 1. — P. 539. ) имеющая непосредственное отношение к тематике данного проекта, предлагающего развитие этого научного направления. По тематике проекта защищены диссертационная работа на соискание степени кандидата биологических наук Ярошевича И.А. “Структурно-конформационные состояния и спектральные характеристики каротиноида в фотоцикле оранжевого каротиноидного белка цианобактерий”, диссертационная работа на соискание степени доктора биологических наук Максимова Е.Г. ”Электронно-конформационные взаимодействия в фоточувствительных пигмент-белковых комплексах цианобактерий” и диссертационная работа на соискание степени доктора физико-математических наук Черепанова Д.А. Все эти работы посвящены развитию научной программы исследования механизмов энергетических превращений каротидных белков. Этот проект предполагает развитие созданных исследовательским коллективом идей с целью разработки новых подходов управления спектральными свойствами каротинопротеинов.