Přenos elektronu skrze uměle vytvořené dráhy v proteinech a v jimi inspirovaných modelových systémech

• Název práce v češtině: Přenos elektronu skrze uměle vytvořené dráhy v proteinech a v jimi inspirovaných modelových systémech
• Název v anglickém jazyce: Electron transfer via artificially constructed pathways in proteins and in pertinent model systems
• Klíčová slova: Přenos elektronu|azurinové proteiny|DFT|tunelovací proudy|QM/MM simulace
• Klíčová slova anglicky: Electron transfer|azurin proteins|DFT|tunnelling currents|QM/MM simulations
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: diplomová práce
• Ústav: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Filip Šebesta, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 19.02.2025
• Datum zadání: 19.02.2025
• Datum potvrzení stud. oddělením: 19.02.2025

Zásady pro vypracování

Za účelem vývoje nových fotokatalyzátorů byly připraveny modifikované proteiny se specificky vytvořenými drahami pro přenos díry mezi Re fotosenzitizátorem a redukovaným T1 měděným centrem, u kterých je cílem dosáhnout efektivní seperace náboje. V rámci práce bude studován poslední krok při přenosu díry v tomto procesu tj. přenos elektronu mezi měděným T1 centrem a oxidovaným tryptofanem mutantu azurinového proteinu, kdy s pomocí klasických a QM/MM MD simulací bude zmapován konformační prostor proteinu v elektronovém stavu s oxidovaným tryptofanem a redukovaným Re fotosenzitizátorem. Následně budou určeny možné dráhy pro přenos elektronu pomocí metody tunelovacích proudů a stanovené výsledky budou porovnány s “Pathways” modelem založeném na empirických hodnotách meziatomatárních spřažení podél možných drah. Pro odhadnutí důležitosti jednotlivých drah bude připraven model mutantu M121L studovaného proteinu azurinu pomocí QM/MM MD simulací, u nějž bude jedna významná dráha blokována pomocí bodové mutace. Přenos elektronu bude poté analyzovám jako v prvním případu a výsledky budou porovnány. Pro jednotlivé konformace budou dále určena elektronová spřažení mezi studovanými elektronovými stavy. Součástí práce bude také změření absorpčních a fluorescenčních spekter a dob života u zvolených donor-akceptorových komplexů modelujících část studované dráhy, které byly syntetizovány během posledních pěti let.

Seznam odborné literatury

[1] Takematsu, K.; Williamson, H. R.; Nikolovski, P.; J. T. Kaiser, J. T.; Sheng, Y. ; Pospı́šil, P.; Towrie, M.; Heyda, J.; Hollas, D.; Záliš, S.; Gray, H. B.; Vlček, A. and Winkler, J. R. Competing ultrafast photoinduced electron transfer and intersystem crossing of [Re(CO)(Dmp)(His124)(Trp122)]+ in Pseudomonas aeruginosa azurin: a nonadiabatic dynamics studyACS Central Science 2019, 5, PMID: 30693338, 192–200.

[2] Záliš, S.; Heyda, J.; Šebesta, F.; Winkler, J. R.; Gray, H. B., and Vlček, A. Photoinduced hole hopping through tryptophans in proteins. PNAS 2021, 118 (11), e2024627118.

[3] Melčák, M.; Šebesta, F.; Heyda, J.; Gray, H. B.; Záliš, S.; Vlček, A. Tryptophan to Tryptophan
Hole Hopping in an Azurin Construct J. Phys. Chem. B 2024, 128, 96-108.

[4] Stuchebrukhov, A. A . Tunneling currents in long-distance electron transfer reactions. V. Effective one electron approximation J. Chem. Phys. 2003, 118, 7898–7906.

[5] Stuchebrukhov, A. A. Tunneling currents in long-distance electron transfer reactions. IV. Many-electron formulation. Nonorthogonal atomic basis sets and Mulliken population analysis J. Chem. Phys., 1998, 108, 8510–8520.

[6] Advances in Chemical Physics: Electron Transfer - From Isolated Molecules to Biomolecules, Volume 107, Part 2. ed. Joshua Jortner, M. Bixon, John Wiley & Sons, New York, 2007.

[7] Parr, R.G. and Yang, W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. Oxford University Press, New York, Oxford, 1989.

[8] Helgaker, T.; Jorgensen, P.; Olsen, J. Molecular Electronic-Structure Theory, John Wiley & Sons, New York, 2000.

[9] Zamastil, J., and Benda, J. Kvantová mechanika a elektrodynamika. Univerzita Karlova v Praze, nakladatelství Karolinum, Praha, 2016.

Předběžná náplň práce

Za účelem přípravy nových fotokatalyzátorů byly v posledních letech syntetizovány azurinové proteiny, na jejichž povrchu byly uměle vytvořeny dráhy pro přenos elektronu. Přítomnost aromatických aminokyselin v těchto drahách urychluje přenos elektronu mezi redukovaným Cu centrem a excitovaným Re fotosenzitizátorem, nicméně kvantový výtěžek je nižší v porovnání s přenosem náboje v živých organismech. Z tohoto důvodu se snažíme pomocí molekulárních simulací doplnit experimentální informaci o dobách života excitovaných stavů o strukturní podmínky umožňující/limitující přenos elektronu. kde využíváme výhod kombinovaných klasických a kvantových (QM/MM) simulací. Nové poznatky mohou přispět k vývoji systémů s efektivnější separací náboje.
Samotná diplomová práce se bude věnovat detailnímu popisu posledního kroku studovaného procesu (mimo rekombinaci) – přenosu elektronu z redukovaného Cu centra na oxidovaný tryptofan. Mezi těmito kofaktory existuje několik drah a jejich příspěvek k celkové efektivitě přenosu elektronu bude studován na základě dvou modelů – empirického “Pathways” modelu a metody tunelovacích proudů založené na hustotě toku pravděpodobnosti při přenosu elektronu. Kromě experimentálně zkoumaného proteinu bude připraven další mutant, v kterém bude jedna významná dráha blokována pomocí bodové mutace, a následně bude studován pomocí hybridních QM/MM simulací. Porovnání výsledků u obou mutantů může přispět ke zjistění důležitosti jednotlivých drah. Kromě teoretické části projektu bude student seznámen s měřením absorbčních a fluorescenčních spekter a dob života pro malé donor-akceptorové systémy, které slouží jako modelové komplexy pro první krok zkomaného přenosu díry a jako možmé prekurzory pro nové fotokatalyzátory.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Developing new photocatalysts, artificially constructed pathways for electron transfer (ET) were prepared on the surface of azurin protein mutants. Presence of aromatic amino acids (tryptophan, tyrosine) in the pathways accelerates ET between the Cu centre and a excited Re photosensitizer, nevertheless, obtained quantum yield is lower in comparison with ETs in living organisms. Hence, we strive to complement experimental information about lifetimes of electronic states within the hole transfer with structural conditions enabling/disabling the ET using molecular modelling where combined quantum and classical (QM/MM) simulations are utilized. New findings can contribute to design of systems with more efficient charge separation.
The diploma thesis itself is focused on a detailed description of the last step of the hole hopping (except recombination) – ET from the reduced Cu centre to an oxidized tryptophan. These cofactors are connected by several pathways and their contribution to the ET efficiency will be investigated using two model – the empirical “Pathways” model and tunnelling currents based on the quantum probability flux during ET. Except the experimentally prepared mutant, another mutant where a significant pathway will be disabled by point mutation will be prepared and studied using hybrid QM/MM simulations. Comparison of ET in both azurin mutants should shed new light on importance of individual pathways. Besides the theoretical part of the thesis, the student will be introduced into measurements of absorption, and fluorescence spectra and lifetimes for small donor-acceptor complexes served as model compounds for the first step in the investigated hole hopping and potential precursors for new photocatalysts.