Spectroscopic Properties of Light-Activated Proteins Resolved by Multiscale-Simulations

Rhodopsine und Lichtsammelkomplexe sind durch Licht aktivierte Proteine, die an natürlichen Prozessen wie dem Sehen oder der Photosynthese beteiligt sind. Um deren detaillierten Mechanismus zu verstehen, sind aufgrund ihrer Größe und der komplexen Umgebung, in die das Chromophor eingebettet ist, Multiskalen-Methoden erforderlich. Neue und effiziente Methoden sind daher sehr wünschenswert. In dieser Arbeit wurde somit die kürzlich erfolgte zeitabhängige Erweiterung der effizienten LC-DFTB Methode für ihre Anwendung auf Rhodopsine und Lichtsammelkomplexe über einen systematischen Benchmark validiert. Zusätzlich wurden etablierte Methoden zur Untersuchung des $\textit{pre-gating}$ Prozesses des lichtgesteuerten Ionenkanals $\textit{Channelrhodopsin-2}$ Wildtyp (ChR2-WT) verwendet. Die Benchmark Studie wurde sowohl an den isolierten Chromophoren Retinal und Bakteriochlorophyll a (BChl a), als auch am biologischen System als Ganzes durchgeführt. Dabei wurden Einflussfaktoren, die für ihre charakteristischen Absorptionsspektren verantwortlich sind, sowie Methoden berücksichtigt, die von \textit{ab-initio} bis zum semiempirischen Ansatz reichen. LC-DFTB konnte qualitativ den gleichen Trend reproduzieren wie die LC-DFT Funktionale hinsichtlich der Beschreibung der Einflussfaktoren auf die Absorptionsspektren von Retinal und BChl a. Während LC-DFTB jedoch Schwächen in der Anwendung an Rhodopsinen zeigte, waren die Ergebnisse für Lichtsammelkomplexe in guter Übereinstimmung mit denen von $\textit{ab-initio}$ Methoden. LC-DFTB ist damit vielversprechend, mit dem Potenzial für weitere Untersuchungen. Der $\textit{pre-gating}$ Prozess von ChR2-WT wurde mit Methoden untersucht, die sowohl auf einem klassischen als auch auf einem QM/MM Ansatz basieren. Somit ergaben sich aus QM/MM und klassischen MD Simulationen mehrere Teilzustände des ersten Zwischenzustands des Photozyklus. Nachfolgend, wurden mit diesen Strukturen UV/Vis- und Vibrationsspektren berechnet, die in guter Übereinstimmung mit dem Experiment waren. Somit konnte ein möglicher $\textit{pre-gating}$ Prozess abgeleitet werden. Dies ermöglicht weitere Untersuchungen der folgenden Zwischenzustände des Photozyklus, um den detaillierten Mechanismus und die Funktion von ChR2-WT zu verstehen