Informations

Slr1393 - Biologie


Classe : Cyanobactériochrome

Famille : Rouge/rouge lointain

Origine: Synechocystis sp/ PCC 6803

Chromophore(s) : PCB

Les références

  • Mutagenèse combinée et caractérisation cinétique du domaine GAF de liaison à la biline de la protéine Slr1393 de la cyanobactérie Synechocystis PCC6803, Xiu-Ling Xu, Alexander Gutt, Jonas Mechelke, Sarah Raffelberg, Kun Tang, Dan Miao, Lorena Valle, laudio D. Borsarelli, Kai- Hong Zhao et Wolfgang Gärtner, ChemBioChem 2014, 15, 1190 – 1199, PDF
  • Aperçu détaillé de la photoconversion ultrarapide du cyanobactériochrome Slr1393 de Synechocystis sp., Chavdar Slavov, Xiuling Xu Kai-hong Zhao, Wolfgang Gärtner, Josef Wachtveitl, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics Volume 1847, Numéro 10, octobre 2015, Pages 1335–1344 PDF
  • FRET dans une protéine synthétique liant la flavine et la biline Julian Simon, Aba Losi, Kai-Hong Zhao et Wolfgang Gartner, Photochimie et photobiologie, 2017, 93 : 1057-1062 PDF

  • Le GAF3 à commutation rouge/vert du cyanobactériochrome Slr1393 de Synechocystis sp. PCC6803 régule l'activité d'une adénylylcyclase, Ping-Ping Hu, Rui Guo, Ming Zhou, Wolfgang Gärtner, Kai-Hong Zhao, ChemBioChem 10.1002/cbic.201800323, PDF


Le sous-domaine CBS de l'inosine 5′-monophosphate déshydrogénase régule le renouvellement des nucléotides puriques

Institut de recherche sur le cancer, Fox Chase Cancer Center, 333 Cottman Avenue, Philadelphie, PA 19111, États-Unis.

Institut de recherche sur le cancer, Fox Chase Cancer Center, 333 Cottman Avenue, Philadelphie, PA 19111, États-Unis.

Sommaire

L'inosine 5'-monophosphate déshydrogénase (IMPDH) catalyse l'étape limitante de la biosynthèse des nucléotides de la guanine. IMPDH a un sous-domaine CBS évolutif conservé de fonction inconnue. Le sous-domaine peut être supprimé sans altérer le in vitro IMPDH activité catalytique et est le site de mutations associées à la rétinite pigmentaire humaine. Un guanine-prototrophe Escherichia coli La souche MP101 a été construite avec la séquence de sous-domaine supprimée du gène chromosomique de l'IMPDH. La teneur en ATP était substantiellement élevée dans MP101 alors que la teneur en GTP était légèrement réduite. Les activités de l'IMPDH, de l'adénylosuccinate synthétase et de la GMP réductase étaient deux à trois fois inférieures dans les extraits bruts MP101 par rapport à la souche de type sauvage BW25113. La guanine a induit une réduction de trois fois du pool d'ATP MP101 et une augmentation de quatre fois du pool de GTP dans les 10 minutes suivant l'ajout aux cellules en croissance. Cette réponse ne résulte pas de l'activité réduite de l'IMPDH ou de la famine pour les guanylates. In vivo l'analyse cinétique à l'aide de traceurs 14-C et de poursuite d'impulsions 33-P a révélé des changements associés à des mutations dans les flux de nucléotides puriques et les taux de renouvellement. Nous concluons que le sous-domaine CBS de l'IMPDH peut coordonner les activités des enzymes du métabolisme des nucléotides puriques et est essentiel pour maintenir les tailles normales des pools d'ATP et de GTP dans E. coli.


Résumé

Les structures cristallines tridimensionnelles (3D) du domaine GAF3 du cyanobactériochrome Slr1393 (Synéchocyste PCC6803) portant un chromophore phycocyanobiline a pu être résolu dans les deux 15-Z état adapté à l'obscurité, Pr, λmax = 649 nm, et 15-E photoproduit, Pg, λmax = 536 nm (résolution, 1,6 et 1,86 Å, respectivement). Les données structurelles ont permis d'identifier le grand décalage spectral de la conversion Pr-à-Pg comme résultant d'une rotation hors du plan des anneaux périphériques du chromophore et d'un mouvement vers l'extérieur d'une courte hélice formée à partir d'une boucle anciennement non structurée. De plus, une troisième structure (résolution 2.1-Å) à partir des cristaux du photoproduit a permis d'identifier les éléments qui régulent les maxima d'absorption. Sous cette forme particulière, générée lors de l'exposition aux rayons X, la conformation des protéines et du chromophore ressemble toujours à l'état du photoproduit, à l'exception de l'anneau en D déjà en 15-Z configuration et incliné hors du plan semblable à l'état sombre. En raison de sa formation à partir du photoproduit, il pourrait être considéré comme un changement de conformation précoce initiant le photocycle de récupération de l'état parental. La haute qualité et les caractéristiques distinctes des trois formes ont permis d'appliquer des calculs de chimie quantique dans le cadre d'une modélisation multi-échelle pour rationaliser les changements de maxima d'absorption. Une analyse systématique du chromophore PCB en présence et en l'absence de l'environnement protéique a montré que l'effet électrostatique direct est négligeable sur l'accord spectral. Cependant, la protéine force les anneaux de pyrrole externes du chromophore à s'écarter de la coplanarité, qui est identifiée comme le facteur dominant pour la régulation de la couleur.

Les cyanobactériochromes (CBCR) constituent un sous-groupe de la superfamille des protéines de liaison à la biline des phytochromes (1 𠄳). Ces photorécepteurs présentent une photochromicité remarquable, dans le cas des photorécepteurs végétaux, l'absorption se décale de 65 nm lors de l'irradiation. L'état sombre est décrit comme une forme parentale absorbant le rouge (Pr) avec λmax = 665 nm qui est converti en un photoproduit absorbant le rouge lointain (Pfr) avec λmax = 730 nm (4). La conversion induite par la lumière entre les deux états est commune à tous les phytochromes et est initiée par une photoisomérisation spécifique au site de la double liaison entre les anneaux C et D du chromophore, convertissant le 15-Z isomère au 15-E conformation (Fig. 1UNE , indiqué pour les CBCR). La photoisomérisation est terminée en quelques picosecondes (5 𠄸) et est suivie par des mouvements de protéines s'étendant dans la longue plage de temps de millisecondes (9, 10). Dans les phytochromes 𠇌lassique”, un arrangement à trois domaines (PAS–GAF–PHY) est essentiel pour maintenir les propriétés spectrales et cinétiques. Dans cet arrangement à trois domaines, le domaine GAF détient le chromophore à travers une liaison covalente à un résidu cystéine ( Fig. 1 UNE et B ) et d'autres interactions non covalentes dans la poche de liaison. Les CBCR unissent ces propriétés de liaison autocatalytique aux chromophores et de photochromicité au sein d'un seul domaine GAF, même lorsqu'ils sont exprimés de manière autonome sous la forme d'une petite protéine (19 kDa) (11, 12). Alors que les phytochromes canoniques basculent entre un état d'absorption rouge et rouge lointain, les maxima d'absorbance des CBCR (états parentaux et photoproduits) couvrent tout le spectre visible, allant même jusqu'au proche ultraviolet (1, 13, 14). Par conséquent, les CBCR ont été classés en plusieurs sous-familles en fonction de leur plage d'absorbance et de leur séquence d'acides aminés (3, 15). La sous-famille la plus répandue et la mieux étudiée est celle à commutation rouge/vert avec un état parental absorbant le rouge (Pr, λmax environ 650 nm) et un photoproduit absorbant le vert (Pg, λmax autour de 540 nm) montrant un décalage hypsochrome remarquablement important de � nm. Cette sous-famille a été mise au point parce que leur taille compacte et la position variable des bandes d'absorption les approuvent comme des outils utiles pour les applications d'optogénétique (12, 16). De plus, les CBCR montrent une fluorescence notable pour les deux états photocommutables, ce qui les rend également applicables en microscopie superrésolution (17, 18). Divers mécanismes d'accord spectral ont été proposés, entre autres un encombrement stérique qui déforme fortement le chromophore ou un changement de polarité dans la cavité de liaison du chromophore lors des changements de conformation des protéines (18). Cependant, un support solide au niveau moléculaire par, par exemple, des calculs de chimie quantique sous-tendant l'un ou l'autre de ces mécanismes, fait toujours défaut.

Structure du chromophore et spectres d'absorption. (UNE) Structure chimique du chromophore phycocyanobiline de Slr1393g3. Le chromophore est lié de manière covalente à la protéine via une liaison thioéther entre Cys528 et la position 3 1 du PCB. La molécule est représentée dans la configuration de l'état parental (Z,Z,Z,s,s,a). La photoisomérisation à double liaison (double liaison entre les cycles C et D) est indiquée par une flèche. (B) Représentation de bande dessinée de la structure Slr1393g3 dans son état Pr parental assemblé in vitro (code d'identification PDB 5DFY). Les éléments de structure secondaire sont étiquetés selon la structure AnPixJg2 (code d'identification PDB 3W2Z). Le chromophore PCB est représenté en bâtonnet, la liaison covalente à Cys528 est mise en évidence. (C) Conversion induite par l'éclairage entre les formes absorbant le rouge (Pr) et le vert (Pg) de Slr1393g3. La formation de la forme absorbant le rouge suit une irradiation progressive de Pg (temps d'irradiation total, source d'irradiation de 80 s, LED 670 nm). () Topologie de Slr1393g3 par rapport à AnPixJg2 : état ① Slr1393g3-Pr, ② Slr1393g3-Pg et la forme hybride, et ③ topologie AnPixJg2. La topologie représente Slr1393g3 dans l'état parental absorbant le rouge. La boîte grise entre 㬢 et 㬓 (partie d'une boucle non structurée) se transforme en un élément hélicoïdal court dans le photoproduit et dans l'hybride de photoisomérisation (inventé 㬒′ dans le texte principal). Dans l'état parental d'AnPixJg2, cela adapte une conformation β-sheet (㬣).

Les calculs de chimie quantique pour les phytochromes sont difficiles et rares pour deux raisons : 1) la grande taille du chromophore biline et 2) le manque d'informations structurelles à haute résolution des protéines. Concernant ce dernier aspect, dans la sous-famille de commutation rouge/vert, Narikawa et al. (19) ont résolu la structure de la forme rouge d'AnPixJg2, et Lim et al. (20) ont récemment obtenu des données basées sur la RMN à la fois sur les formes parentale et photoproduit pour NpR6012g4. Dans l'ensemble, il existe encore très peu de cas dans lesquels les deux états d'une protéine apparentée au phytochrome ont été déterminés structurellement avec une résolution suffisamment bonne pour servir de base à des calculs quantiques précis. Le domaine photosensoriel du bactériophytochrome de Déinocoque radiodurans a été cristallisé dans les deux états (21, 22) avec une résolution de près de 1 Å pour l'état parental, bien qu'avec une résolution beaucoup plus faible (ϣ Å) pour le photoproduit. Des informations structurelles pour les deux états d'un photorécepteur lié au phytochrome ont été rapportées pour le CBCR TePixJg à partir de Thermosynechococcus elongatus (2,4 et 2,0 Å) (19, 23). Cependant, contrairement aux phytochromes canoniques et aux CBCR à commutation rouge/vert, TePixJg montre un état parental très décalé vers le bleu (λmax = 433 nm) et un photoproduit vert absorbant (λmax = 531 nm). Ces absorptions à courte longueur d'onde des deux états de TePixJg sont causées par des chromophores atypiques, un réarrangement PCB à PVB (phycoviolobiline) (état d'absorption verte), et le maximum d'absorption courte de l'état parental absorbant le bleu résulte de la fixation covalente de cystéine 494 à la position centrale C10, limitant ainsi le système conjugué π à seulement deux anneaux (C et D) (13).

La portée de la présente étude est de combler l'écart entre les études biologiques et photochimiques en fournissant les structures cristallines à haute résolution des états parent et photoproduit. Ces structures ont été analysées en appliquant des calculs de chimie quantique afin d'expliquer le réglage spectral dans la sous-famille CBCR rouge/vert. Nous avons sélectionné Slr1393 parmi Synéchocyste PCC6803 (λmax de Pr = 649 nm, λmax de Pg = 536 nm) (9, 17). La protéine pleine longueur est composée de trois domaines GAF successifs et d'une histidine kinase C-terminale, ce qui en fait un membre du système de signalisation à deux composants (17). Sur les trois domaines GAF, seul GAF3 (Slr1393g3) se lie à un chromophore biline. Cette propriété et toutes les caractéristiques photochimiques sont également préservées si Slr1393g3 est exprimé indépendamment en tant que protéine autonome (Fig. 1B ) (9). Les maxima d'absorption des deux états sont suffisamment séparés pour permettre une photoconversion presque complète d'une forme dans l'autre, et le photoproduit montre une stabilité thermique remarquable (reconversion dans l'obscurité dans l'état parental de moins de 10% sur 24 h, 20 &# x000b0C) (9).

Ces propriétés ont permis la cristallisation et la détermination de la structure dans les états parental et photoproduit de Slr1393g3 avec une haute résolution et donc l'identification de changements conformationnels dans la protéine et dans le chromophore. La qualité des structures obtenues nous a incités à appliquer des produits de haut niveau récemment développés ab initio des calculs de chimie quantique qui nous ont permis d'obtenir des énergies d'excitation précises et de donner un aperçu de l'origine du grand décalage vers le bleu dans Slr1393g3.


Résultats et discussion

Dynamique de fluorescence femtoseconde et solvatation sur site actif.

2UNE montre les spectres d'absorption et d'émission en régime permanent de WT, E210L, Q228L, F214L et F249L à l'état Pg. Le spectre d'absorption WT a son pic à 564 nm. Le spectre d'émission culminant à 640 nm est approximativement l'image miroir du spectre d'absorption. Tous les mutants présentent des pics d'absorption et d'émission similaires (Annexe SI, tableau S1). L'élargissement évident des spectres d'absorption de F214L et F249L résulte du réglage spectral de l'amas Phe environnant sur le site actif. Surtout, nous avons observé ici un grand décalage de Stokes à la fois dans le WT et les mutants.

(UNE) Les spectres d'absorption et d'émission de Pg en régime permanent de WT (rouge), E210L (bleu), F214L (cyan foncé), Q228L (jaune) et F249L (orange). La longueur d'onde de pompe à 560 nm et les longueurs d'onde de sonde multiples (flèches colorées vers le bas) pour la détection d'absorption transitoire ainsi que les longueurs d'onde de fluorescence déclenchées (flèches noires vers le haut) sont marquées. (B) Transitoires de fluorescence normalisés résolus en femtoseconde de Pg-état WT PPHK bloqués à des longueurs d'onde typiques dans les échelles de temps linéaires (avant 20 ps) et logarithmiques. Toutes les données expérimentales sont représentées dans des cercles, et les lignes pleines sont le meilleur ajustement exponentiel. (C et ) Transitoires de fluorescence normalisés résolus en femtoseconde des mutants en comparaison avec le WT bloqué à 620 nm (C) et 700 nm (). Notez que le temps de retard est affiché sur une échelle linéaire avant 40 ps et une échelle logarithmique par la suite.

2B montre les transitoires de fluorescence WT résolus en femtosecondes à plusieurs longueurs d'onde typiques, du côté bleu au côté rouge de l'émission dans une fenêtre de temps de 3,2 ns. Outre une composante de durée de vie de 730 ps dans chaque transitoire, nous avons observé des désintégrations du côté bleu et des augmentations du côté rouge, une manifestation typique de la dynamique de solvatation locale (Annexe SI, tableau S2) (19 –21). Les transitoires du côté bleu sont équipés de trois composantes de solvatation allant de 0,8 à 3,5, 15 à 31 et 150 à 250 ps. Du côté rouge, les transitoires montrent deux composantes de montée en 1,2 à 3,5 et 20 à 31 ps. Ces dynamiques proviennent de la relaxation du site actif des chaînes latérales polaires et des molécules d'eau, comme observé dans les photolyases, la flavodoxine et les variants de la GFP (22 ⇓ ⇓ ⇓ –27). La durée de vie relativement longue de l'état excité (730 ps) de l'état Pg permet de caractériser la dynamique de solvatation continue de quelques à quelques dizaines et à des centaines de picosecondes en PPHK. Les trois composants sont évidemment présents, et donc la dynamique de solvatation est significative. Une telle observation directe de la dynamique de solvatation du site actif dans le CBCR est cruciale pour la compréhension de la dynamique de l'état excité, en particulier avec la détection d'absorption transitoire ci-dessous. Nous avons également mesuré la dynamique d'anisotropie de fluorescence résolue en femtoseconde du chromophore à une émission de 660 nm (Annexe SI, figure S2B). Étonnamment, nous n'avons observé aucune dynamique de désintégration jusqu'à quelques centaines de picosecondes, indiquant un chromophore à l'état excité relativement immobile confiné au site actif électrostatiquement et structurellement. La dynamique de solvatation observée provient principalement des relaxations locales des chaînes latérales de l'eau et des protéines.

2 C et montrer les transitoires de fluorescence résolus en femtoseconde des mutants avec WT comme comparaison pour deux longueurs d'onde typiques à 620 nm (côté bleu) et 700 nm (côté rouge) sur une série de détection de longueurs d'onde (Annexe SI, Figues. S3–S7). Les processus de solvatation observés du côté bleu pour les mutants sont tous plus rapides que ceux de WT, tandis que les composants de durée de vie varient selon les mutants (Fig. 2 et Annexe SI, tableaux S2 à S6). Par exemple, pour le mutant E210L, la dynamique de solvatation du côté bleu se produit dans 1,2 à 3,2, 11 à 29 et 85 à 160 ps et augmente de 1,2 à 3,0 et 17 à 26 ps du côté rouge avec une durée de vie plus courte de 550 ps. Pour Q228L, les relaxations de solvatation sont de 1,5 à 3, 18 à 37 et 160 à 260 ps, ​​tandis que du côté rouge, elles montrent des augmentations de 1,1 à 3,0 et 19 à 30 ps. Ces dynamiques de solvatation plus rapides chez les mutants sont étroitement corrélées aux propriétés locales du site actif, comme discuté ci-dessous.

Pour extraire la fonction de corrélation de solvatation, nous avons mesuré directement les spectres d'émission résolus en femtoseconde (FRES). 3UNE affiche une carte tridimensionnelle (3D) de l'émission de fluorescence par rapport à la longueur d'onde d'émission et au temps de retard, et la figure 3B montre plusieurs instantanés à différents temps de retard pour le WT PPHK. Nous avons observé des décalages dynamiques évidents de Stokes sur une échelle de temps de quelques à quelques centaines de picosecondes. A 0,5 ps, le spectre culmine autour de 631 nm et à un instant ultérieur de 1 ns, le pic passe à 640 nm. Pour quantifier la dynamique de relaxation locale, nous avons calculé les fréquences moyennes ( ¯ ) et leurs évolutions dans le temps pour représenter la dynamique de solvatation (voir Annexe SI et réf. 22 et 23). Nous avons observé un décalage total de 194 cm -1 pour le WT et la fonction de corrélation normalisée est montrée sur la Fig. 3C. La dynamique de solvatation a été observée chez 2,5 (15 %), 25 (47 %) et 235 ps (38 %). Lors de la photoexcitation, le site actif continue d'évoluer en mouvements dynamiques de quelques picosecondes jusqu'à l'isomérisation en plusieurs centaines de picosecondes. La structure aux rayons X de PPHK montre environ six molécules d'eau piégées à moins de 8 du centre du chromophore (Fig. 1B) (16). La simulation de dynamique moléculaire (MD) de 10 ns du bactériophytochrome DrBphP a révélé des échanges d'eau importants entre la région du chromophore et le solvant extérieur, entraînant des fluctuations électrostatiques continues dans le domaine GAF (28). Par conséquent, des interactions dynamiques eau-protéine significatives pour un site actif ouvert sont attendues dans PPHK. Ainsi, la première composante de solvatation de 2,5 ps reflète principalement la relaxation locale du réseau d'eau au site actif. La dynamique de relaxation observée en dizaines et centaines de picosecondes représente les réarrangements collectifs des molécules d'eau locales et leurs chaînes latérales en interaction. De plus, le chromophore PCB est étroitement «pincé» par le domaine GAF comme observé ci-dessus. Ainsi, de tels mouvements dynamiques observés ajustent en permanence la surface potentielle de l'état excité ainsi que les configurations locales de la chaîne latérale pour finalement faciliter le retournement de l'anneau D, ce qui à son tour initie d'autres changements structurels des protéines.

(UNE) Une représentation 3D des spectres d'émission résolus en femtoseconde (FRES) de WT PPHK. L'intensité est graduée par un code couleur. (B) Instantanés du FRES à plusieurs temps de retard typiques. Le pic d'émission en régime permanent est également représenté par la ligne pointillée. (C) Fonctions de corrélation de solvatation pour l'état Pg PPHK WT et deux mutants de E210L et Q228L. Les lignes pointillées montrent chaque composante de décroissance exponentielle (??1S, ??2S, et ??3S).

Mutations de sites critiques et modulation de l'évolution dynamique.

Le 15E L'état Pg rapporté ici présente une durée de vie prolongée à l'état excité par rapport à l'ultrarapide 15E Dynamique de l'état Pfr de quelques picosecondes dans les phytochromes (29), principalement due aux effets de l'environnement protéique unique. Avec une durée de vie aussi longue, la dynamique d'isomérisation se mélange aux relaxations de l'environnement local. Ici, nous examinons l'effet des mutations au site actif sur la relaxation et la dynamique d'isomérisation. Nous avons étudié en détail la dynamique de solvatation de deux mutants E210L et Q228L, et les résultats sont donnés sur la Fig. 3C et Tableau 1. Les deux dynamiques de solvatation des deux mutants deviennent évidemment plus rapides. La substitution de E210 près du chromophore PCB chargé positivement a une influence significative sur le réseau d'eau entre le motif Asp et le chromophore. Pour E210L, nous avons observé la dynamique de solvatation dans 1,6 (34 %), 68 (37 %) et 151 ps (29 %) avec une énergie totale de stabilisation de 200 cm −1 , et tous les temps de relaxation sont plus rapides que ceux de WT. La dynamique de solvatation rapide observée indique que le réseau d'eau local et les chaînes latérales des protéines deviennent plus flexibles lors de l'élimination du E211 chargé près du motif Asp. Le chromophore PCB est ancré dans le domaine GAF par les interactions de liaison hydrogène avec le motif Asp. La modification par mutation de E210L près du motif Asp structurellement conservé perturbe ces réseaux locaux de liaisons hydrogène, entraînant des mouvements collectifs eau-protéine rapides. Dans l'ensemble, la dynamique de solvatation rapide et la durée de vie accélérée à l'état excité montrent que les interactions Asp-motif sont essentielles à la dynamique de photoisomérisation à l'état excité dans PPHK.

Résultats de la dynamique de solvatation de PPHK WT et de mutants

La mutation de Q228L conduit également à des relaxations plus rapides. La fonction de corrélation de solvatation montre la dynamique en 2,3 (27 %), 26 (39 %) et 231 ps (34 %) avec une grande énergie de stabilisation de 215 cm -1 . À l'état de Pg, le Q228 se trouve à des distances de liaison hydrogène avec les groupes propionates des cycles B et C, qui font partie de vastes réseaux de liaisons hydrogène médiés par l'eau parmi les groupes latéraux du chromophore avec des résidus polaires proches (Fig. 1B). En raison du remplacement de la glutamine par la leucine, les réseaux de liaisons hydrogène sont partiellement rompus, ce qui rend la structure locale relativement flexible, mais la rotation du chromophore PCB par rapport à la protéine a lieu à un stade beaucoup plus avancé de l'isomérisation (16). Nous n'avons pas observé le changement de durée de vie à l'état excité car la mutation de Q228L n'affecte pas directement l'environnement de l'anneau D, comme observé dans le bactériophytochrome PaBphP le Pfr (15E) la durée de vie à l'état excité reste presque inchangée par une mutation similaire de S275A dans PaBphP (29). Ainsi, l'élimination des interactions de liaison hydrogène du propionate de PCB se traduit par des réseaux de liaison hydrogène locaux plus flexibles et des mouvements de la chaîne latérale des protéines.

De même, les mutations Phe de F180L, F214L et F249L rendent le site actif flexible et entraînent une relaxation plus rapide. L'anneau D du chromophore est pris en sandwich entre le 1 F180 et l'hélice F249 (Annexe SI, Fig. S1UNE). Lors de la photoisomérisation, le cycle D tourne et doit repousser les cycles aromatiques de manière diffusive (30). La perturbation structurelle sur ces deux sites à proximité de l'anneau D ainsi que du motif Asp F214 accélère également la dynamique de photoisomérisation, conduisant à une durée de vie plus courte de 570 ps pour F180L, 635 ps pour F249L et 604 ps pour F214L. Encore une fois, les mutations des résidus du site actif près du cycle D provoquent toutes une structure locale lâche, entraînant des relaxations de solvatation et une isomérisation plus rapides.

Avec des mutations, nous avons observé une solvatation plus rapide du site actif et une dynamique d'isomérisation altérée, indiquant les contributions collectives du site actif, chimiquement et structurellement. La dynamique structurale ultrarapide du phytochrome en quelques picosecondes après la photoexcitation, incluant les mouvements des chaînes latérales ainsi que l'eau du site actif, a été rapportée récemment par Claesson et al. (31). Ainsi, la réponse structurelle ultrarapide initiale se produit collectivement en quelques picosecondes et les réarrangements corrélés des molécules d'eau et des chaînes latérales des protéines se produisent sur une échelle de temps plus longue en dizaines et centaines de picosecondes, suivis de l'isomérisation pour déclencher des changements de conformation importants menant à la fonction. Dans le CBCR, le cluster Phe ainsi que la région du motif Asp sont impliqués dans de tels événements structuraux allostériques. Des travaux plus théoriques/informatiques sont nécessaires pour une compréhension complète de cette dynamique de non-équilibre ultrarapide en termes de changements structurels.

Réaction d'isomérisation et hétérogénéité dynamique.

Pour caractériser complètement la réaction d'isomérisation à l'état Pg, nous sommes passés à la détection d'absorption transitoire (Fig. 4 et Annexe SI, Figues. S7–S9). Plus précisément, à 350 nm, nous avons détecté une récupération de l'état fondamental en centaines de picosecondes et la formation de photoproduits. Le plateau positif est attribué à l'absorption du photoproduit Lumi-G. Les signaux transitoires sondés à 440, 680 et 720 nm reflètent principalement la dynamique de l'état excité. Les signaux transitoires sondés à 600, 620 et 650 nm sont complexes et consistent en une récupération de l'état fondamental, une émission stimulée et la formation de produits. La dynamique de solvatation peut être facilement observée dans ces mesures d'absorption transitoire (26, 32, 33). Les données d'absorption transitoire de WT et des mutants sont ajustées avec la somme de diverses décroissances exponentielles, et les résultats d'ajustement sont répertoriés dans Annexe SI, tableaux S7 à S10. Outre les composantes de durée de vie à l'état excité, trois constantes de temps d'environ 1,2 à 4,8, 19 à 38 et 91 à 285 ps ont été observées, et elles proviennent des relaxations structurelles locales des processus de solvatation. Dans de nombreuses études précédentes d'absorption transitoire résolues en femtosecondes de la dynamique de photoisomérisation phytochrome/CBCR (12, 13, 34), les multiples décroissances exponentielles sont souvent attribuées à la dynamique de sous-populations hétérogènes à l'état fondamental. Ici, en résolvant la dynamique de solvatation, nous avons clairement montré que ces désintégrations multiphasiques résultent des relaxations locales de l'environnement, et non d'une hétérogénéité de l'état fondamental (35, 36). Ainsi, la combinaison des détections de fluorescence et d'absorption résolues en femtoseconde est cruciale pour l'interprétation correcte de l'isomérisation à l'état excité. En intégrant à la fois les résultats de fluorescence et d'absorption, nous peignons le mécanisme moléculaire de la réaction d'isomérisation le long de deux coordonnées, nucléaire et solvatation (Fig. 5). La réaction se produit initialement le long de la coordonnée de solvatation, représentant la solvatation du site actif et les relaxations locales de l'eau piégée et des chaînes latérales polaires en quelques à quelques centaines de picosecondes. Ensuite, la réaction se déplace vers les coordonnées nucléaires pour procéder à l'isomérisation. Une telle torsion de la double liaison est un processus hors d'équilibre, conduisant à des relaxations locales continues et entraînant une évolution continue de la réaction le long de la solvatation et des coordonnées nucléaires, comme le montre la figure 5.

Transitoires d'absorption normalisés résolus en femtoseconde de WT PPHK sondés de 350 à 720 nm. Encart supérieur montre les changements graduels de la dynamique avec différentes longueurs d'onde de sonde. Milieu et Encarts inférieurs montrent la déconvolution des transitoires en diverses composantes dynamiques sondées à 650 nm sur des échelles de temps courtes et longues. Toutes les données expérimentales sont représentées dans des cercles et les lignes pleines sont le meilleur ajustement exponentiel.

Surface schématique d'énergie potentielle pour la photoisomérisation à l'état Pg de PPHK le long des coordonnées de solvatation et de réaction. L'état excité (Pg) évolue d'abord le long des coordonnées de solvatation en quelques picosecondes jusqu'à des centaines de picosecondes. L'isomérisation, compliquée de mouvements locaux continus, passe une barrière et se désintègre à l'état fondamental à travers une intersection conique (CI) pour former partiellement le photoproduit Lumi-G.


Liaison nucléotidique par l'histidine kinase CheA

Pour sonder la base structurelle de l'activité catalytique de la protéine histidine kinase (PHK) et les perspectives de conception d'inhibiteurs spécifiques de la PHK, nous rapportons les structures cristallines du domaine de liaison nucléotidique de Thermotoga maritima CheA avec ADP et trois analogues de l'ATP (ADPNP, ADPCP et TNP-ATP) liés avec soit Mg 2+ soit Mn 2+ . La conformation de l'ADPNP lié à la CheA et aux ATPases apparentées diffère de celle rapportée dans le complexe ADPNP de PHK EnvZ. Les interactions du site actif avec le nucléotide -phosphate et son ion Mg 2+ associé sont liées à des changements de conformation dans un couvercle ATP qui pourraient médier la reconnaissance du domaine substrat. L'inhibiteur TNP-ATP lie CheA avec ses phosphates dans une conformation non productive et ses groupes adénine et trinitrophényle dans deux poches de liaison adjacentes. L'interaction trinitrophényle peut être exploitée pour concevoir des médicaments ciblant le CheA qui n'interféreraient pas avec les ATPases de l'hôte.


Discussion

Nous rapportons les structures de solution de NpR6012g4 dans les deux photoétats. L'état du photoproduit ressemble à celui récemment déterminé pour le CBCR rouge/vert slr1393g3 de Synéchocyste sp. souche PCC 6803 (code d'identification PDB 5M82). Dans les deux cas, le 15E Le chromophore adopte une géométrie torsadée aux ponts méthine C5 et C15, et cette géométrie torsadée semble être la cause probable de l'absorption de photoproduit décalée vers le bleu observée dans cette sous-famille CBCR. Au sein de l'ensemble calculé de structures pour l'état sombre, nous observons de multiples configurations pour Trp655 et Asp657, deux résidus connus pour jouer un rôle clé dans la chromophorylation et l'accord spectral (15). L'hétérogénéité structurelle du résidu Trp équivalent dans AnPixJg2 a été signalée dans une simulation, mais la structure cristalline de l'état sombre d'AnPixJg2 ne contient que la conformation Trp-in (34, 49). Nous observons également une configuration horizontale pour la chaîne latérale Asp657 qui supprime la liaison hydrogène aux anneaux B et C du chromophore. La substitution de Trp655 entraîne des protéines variantes qui accumulent des quantités variables d'un 15 absorbant l'orangeZ population (hétérogénéité spectrale), et nous démontrons la présence d'une population similaire dans NpR6012g4 de type sauvage.

Nous proposons que l'absorption orange résulte de la configuration horizontale de l'Asp. Cette configuration minoritaire perturbe la liaison hydrogène au PCB, ce qui pourrait provoquer un décalage spectral soit via la formation d'un système biline déprotoné π (51) soit via la perte de liaison hydrogène vers un système π protoné. Les espèces absorbant l'orange augmentent à faible pH à la fois dans le type sauvage NpR6012g4 et dans les variantes avec des substitutions à Trp655 (Fig. 4B et la figure S4 C et ), démontrant que l'espèce absorbant l'orange n'apparaît pas en raison de la déprotonation du système biline π. Nous proposons que l'hétérogénéité structurelle à Trp655 ou des substitutions pour ce résidu modifient l'équilibre entre les deux configurations d'Asp657. Nous proposons que l'orientation verticale Asp se produit toujours avec une occupation plus faible dans de telles variantes, expliquant la persistance des espèces absorbant le rouge. De même, les effets de pH observés s'expliqueraient si la configuration horizontale était favorisée par la protonation d'un groupe titrable à faible pH. L'espèce absorbant l'orange a présenté une photoisomérisation primaire mais pas une photoconversion complète, ce qui indique que cette espèce peut également être photochimiquement inactive dans d'autres CBCR rouges/verts. Nos études fournissent donc une explication plausible de la variation de 10 fois observée dans le rendement quantique vers l'avant pour ces protéines (39), qui a un impact sur le développement des CBCR pour la biologie synthétique (52 �).

Nos travaux soulignent l'intérêt d'approches multiples et complémentaires dans la caractérisation structurale des photoprotéines. L'hétérogénéité spectroscopique et photochimique est bien établie dans les phytochromes et dans les CBCR tels que RcaE et NpR6012g4 (13, 14, 16, 17, 19 �, 36 �, 51, 55), mais relier ce comportement à l'hétérogénéité structurelle a fait ses preuves. difficile. En utilisant des structures RMN en solution, nous présentons des preuves que même les résidus conservés à proximité du chromophore peuvent présenter une hétérogénéité structurelle et lier cette hétérogénéité à des effets spécifiques dans la perception de la lumière et la photochimie. We anticipate that similar effects connect structural, spectral, and photochemical heterogeneity in other photoreceptor families (56 �). Indeed, photoreceptors and other signaling “input” domains need to be able to switch between two configurations to regulate signaling this may make them uniquely suited to the study of structural heterogeneity and its functional consequences.


Résumé

Cyanobacteriochromes (CBCRs) are cyanobacterial photoreceptors distantly related to phytochromes. Like phytochromes, CBCRs photointerconvert between two photostates that accompany photoisomerization of their bilin chromophores. While phytochromes typically exhibit red/far-red photocycles, CBCR photocycles are much more diverse, spanning the near-ultraviolet and the entire visible region. All CBCRs described to date have a conserved Cys residue covalently attached to the linear tetrapyrrole (bilin) chromophore two CBCR subfamilies also exploit a second thioether linkage to the chromophore for detection of near-ultraviolet to blue light. Here, we present the photodynamic analysis of the insert-Cys CBCR NpF2164g3, a representative of the second class of two-cysteine CBCRs. Using broadband transient absorption pump–probe spectroscopy, we characterize the primary (100 fs to 10 ns) and secondary (10 ns to 1 ms) photodynamics in both directions, examining photodynamics over nine decades of time. Primary isomerization dynamics occur on a ∼10 ps time scale for both forward and reverse reactions. In contrast to previous studies on Tlr0924, a representative of the other class of two-cysteine CBCRs, formation and elimination of the second linkage are slower than the 1 ms experimental range probed here. These results extend our understanding of dual-cysteine CBCR photocycles in the phytochrome superfamily.


Conversion of phycocyanobilin-binding GAF domain to biliverdin-binding domain

Cyanobacteriochromes (CBCRs) are biliprotein photoreceptors that only exist in cyanobacteria and have a broad spectral response range from ultra-violet to far-red. The red/green-type CBCRs can show red/green reversible photoconversion passant par a covalently bound phycocyanobilin (PCB). In recent years, several CBCRs binding with not only PCB but also biliverdin (BV) have been discovered, which raises the possibility of CBCRs being applied as optogenetic tools. Through molecular modification, we hope to engineer BV-binding CBCRs responsive to the near-infrared spectral region (650–900 nm), of which the red/green type of CBCRs are suitable resources for experimentation. Here, we use Slr1393g3 (the third GAF domain of a red/green photoswitching CBCR from Synéchocyste sp. PCC 6803) as a template to perform such molecular evolution using both random mutagenesis and site-directed mutagenesis. After several rounds of random mutagenesis, we obtained several BV-binding variants of Slr1393g3. These BV-binding variants have a maximal absorbance at ̃690 nm and a fluorescence at ̃720 nm. Additionally, some of them have remarkable photochromicity between a far-red light-absorbing state and a red light-absorbing state. Based on the primary amino acid sequence and structural models, the Phe474 surrounding ring D of BV is thought as a crucial site for chromophore selectivity.


Publications

Phytochromes are biological photoreceptors found in all kingdoms of life. Numerous physicochemical and spectroscopic studies of phytochromes have been carried out for many decades, both experimentally and computationally, with the main focus on the photoconversion mechanism involving a tetrapyrrole chromophore. In this computational work, we concentrate on the long-scale dynamic motion of the photosensory domain of Deinococcus radiodurans by means of classical all-atom molecular dynamics (MD) simulations. Conventional and accelerated MD methods in combination with two different force fields, CHARMM27 and AMBER ff14SB, are tested in long atomistic simulations to confront the dynamics of monomer and dimer forms. These calculations highlight dissimilar equilibrium conformations in aqueous solutions and, in turn, different large-scale dynamic behaviors of the monomer form vs the dimer form. While the phytochrome in a monomer form tends to close the cavity entailed between the GAF and PHY domains, the opposite trend is predicted for the phytochrome dimer, which opens up as a consequence of the formation of strong salt bridges between the PHY domains of two molecules in water.Phytochromes are biological photoreceptors found in all kingdoms of life. Numerous physicochemical and spectroscopic studies of phytochromes have been carried out for many decades, both experimentally and computationally, with the main focus on the photoconversion mechanism involving a tetrapyrrole chromophore. In this computational work, we concentrate on the long-scale dynamic motion of the photosensory domain of Deinococcus radiodurans by means of classical all-atom molecular dynamics (MD) simulations. Conventional and accelerated MD methods in combination with two different force fields, CHARMM27 and AMBER ff14SB, are tested in long atomistic simulations to confront the dynamics of monomer and dimer forms. These calculations highlight dissimilar equilibrium conformations in aqueous solutions and, in turn, different large-scale dynamic behaviors of the monomer form vs the dimer form. While the phytochrome in a monomer form tends to close the cavity entailed between the GAF and PHY domains, the opposite trend is predicted for the phytochrome dimer, which opens up as a consequence of the formation of strong salt bridges between the PHY domains of two molecules in water.

ABC importers are membrane proteins responsible for the transport of nutrients into the cells of prokaryotes. Although the structures of ABC importers vary, all contain four conserved domains: two nucleotide-binding domains (NBDs), which bind and hydrolyze ATP, and two transmembrane domains (TMDs), which help translocate the substrate. ABC importers are also dependent on an additional protein component, a high-affinity substrate-binding protein (SBP) that specifically binds the target ligand for delivery to the appropriate ABC transporter. AbnE is a SBP belonging to the ABC importer for arabino-oligosaccharides in the Gram-positive thermophilic bacterium Geobacillus stearothermophilus. Using isothermal titration calorimetry (ITC), purified AbnE was shown to bind medium-sized arabino-oligosaccharides, in the range of arabino-triose (A3) to arabino-octaose (A8), all with Kd values in the nanomolar range. We describe herein the 3D structure of AbnE in its closed conformation in complex with a wide range of arabino-oligosaccharide substrates (A2-A8). These structures provide the basis for the detailed structural analysis of the AbnE-sugar complexes, and together with complementary quantum chemical calculations, site-specific mutagenesis, and isothermal titration calorimetry (ITC) experiments, provide detailed insights into the AbnE-substrate interactions involved. Small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments and normal mode analysis (NMA) are used to study the conformational changes of AbnE, and these data, taken together, suggest clues regarding its binding mode to the full ABC importer.

Channelrhodopsins (ChR) are light-gated ion-channels heavily used in optogenetics. Upon light excitation an ultrafast all-trans to 13-cis isomerization of the retinal chromophore takes place. It is still uncertain by what means this reaction leads to further protein changes and channel conductivity. Channelrhodopsin-1 in Chlamydomonas augustae exhibits a 100 fs photoisomerization and a protonated counterion complex. By polarization resolved ultrafast spectroscopy in the mid-IR we show that the initial reaction of the retinal is accompanied by changes in the protein backbone and ultrafast protonation changes at the counterion complex comprising Asp299 and Glu169. In combination with homology modelling and quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) geometry optimization we assign the protonation dynamics to ultrafast deprotonation of Glu169, and transient protonation of the Glu169 backbone, followed by a proton transfer from the backbone to the carboxylate group of Asp299 on a timescale of tens of picoseconds. The second proton transfer is not related to retinal dynamics and reflects pure protein changes in the first photoproduct. We assume these protein dynamics to be the first steps in a cascade of protein-wide changes resulting in channel conductivity.

Phytochromes are biological photoswitches that interconvert between two parent states (Pr and Pfr). The transformation is initiated by photoisomerization of the tetrapyrrole chromophore, followed by a sequence of chromophore and protein structural changes. In the last step, a phytochrome-specific peptide segment (tongue) undergoes a secondary structure change, which in prokaryotic phytochromes is associated with the (de)activation of the output module. The focus of this work is the Pfr-to-Pr photoconversion of the bathy bacteriophytochrome Agp2 in which Pfr is the thermodynamically stable state. Using spectroscopic techniques, we studied the structural and functional consequences of substituting Arg211, Tyr165, His278, and Phe192 close to the biliverdin (BV) chromophore. In Pfr, substitutions of these residues do not affect the BV structure. The characteristic Pfr properties of bathy phytochromes, including the protonated propionic side chain of ring C (propC) of BV, are preserved. However, replacing Arg211 or Tyr165 blocks the photoconversion in the Meta-F state, prior to the secondary structure transition of the tongue and without deprotonation of propC. The Meta-F state of these variants displays low photochemical activity, but electronic excitation causes ultrafast alterations of the hydrogen bond network surrounding the chromophore. In all variants studied here, thermal back conversion from the photoproducts to Pfr is decelerated but substitution of His278 or Phe192 is not critical for the Pfr-to-Pr photoconversion. These variants do not impair deprotonation of propC or the α-helix/β-sheet transformation of the tongue during the Meta-F-to-Pr decay. Thus, we conclude that propC deprotonation is essential for restructuring of the tongue.Phytochromes are biological photoswitches that interconvert between two parent states (Pr and Pfr). The transformation is initiated by photoisomerization of the tetrapyrrole chromophore, followed by a sequence of chromophore and protein structural changes. In the last step, a phytochrome-specific peptide segment (tongue) undergoes a secondary structure change, which in prokaryotic phytochromes is associated with the (de)activation of the output module. The focus of this work is the Pfr-to-Pr photoconversion of the bathy bacteriophytochrome Agp2 in which Pfr is the thermodynamically stable state. Using spectroscopic techniques, we studied the structural and functional consequences of substituting Arg211, Tyr165, His278, and Phe192 close to the biliverdin (BV) chromophore. In Pfr, substitutions of these residues do not affect the BV structure. The characteristic Pfr properties of bathy phytochromes, including the protonated propionic side chain of ring C (propC) of BV, are preserved. However, replacing Arg211 or Tyr165 blocks the photoconversion in the Meta-F state, prior to the secondary structure transition of the tongue and without deprotonation of propC. The Meta-F state of these variants displays low photochemical activity, but electronic excitation causes ultrafast alterations of the hydrogen bond network surrounding the chromophore. In all variants studied here, thermal back conversion from the photoproducts to Pfr is decelerated but substitution of His278 or Phe192 is not critical for the Pfr-to-Pr photoconversion. These variants do not impair deprotonation of propC or the α-helix/β-sheet transformation of the tongue during the Meta-F-to-Pr decay. Thus, we conclude that propC deprotonation is essential for restructuring of the tongue.

Phytochromes and related photoreceptors distinguish themselves for their long-wavelength absorption and large spectral shift between parental state and photoproduct. Both features are not well understood, partly due to lack of high-resolution structural data and insufficient support from quantum-chemical calculations. The red–green switching cyanobacteriochrome Slr1393g3 shows an absorption shift larger than 110 nm. Both parental state and photoproduct could be crystallized with high resolution, together with a “hybrid” form carrying the chromophore in parental state geometry, whereas the protein remained in the photoproduct conformation. The crystal structures reveal how chromophore and protein mutually regulate their conformational changes, yielding the observed spectral shift. Quantum-chemical calculations, based on these structures, provide a deeper understanding of the spectral tuning mechanisms.The three-dimensional (3D) crystal structures of the GAF3 domain of cyanobacteriochrome Slr1393 (Synechocystis PCC6803) carrying a phycocyanobilin chromophore could be solved in both 15-Z dark-adapted state, Pr, λmax = 649 nm, and 15-E photoproduct, Pg, λmax = 536 nm (resolution, 1.6 and 1.86 Å, respectively). The structural data allowed identifying the large spectral shift of the Pr-to-Pg conversion as resulting from an out-of-plane rotation of the chromophore’s peripheral rings and an outward movement of a short helix formed from a formerly unstructured loop. In addition, a third structure (2.1-Å resolution) starting from the photoproduct crystals allowed identification of elements that regulate the absorption maxima. In this peculiar form, generated during X-ray exposition, protein and chromophore conformation still resemble the photoproduct state, except for the D-ring already in 15-Z configuration and tilted out of plane akin the dark state. Due to its formation from the photoproduct, it might be considered an early conformational change initiating the parental state-recovering photocycle. The high quality and the distinct features of the three forms allowed for applying quantum-chemical calculations in the framework of multiscale modeling to rationalize the absorption maxima changes. A systematic analysis of the PCB chromophore in the presence and absence of the protein environment showed that the direct electrostatic effect is negligible on the spectral tuning. However, the protein forces the outer pyrrole rings of the chromophore to deviate from coplanarity, which is identified as the dominating factor for the color regulation.

The solid-state photo-chemically induced dynamic nuclear polarization (photo-CIDNP) effect generates non-equilibrium nuclear spin polarization in frozen electron-transfer proteins upon illumination and radical-pair formation. The effect can be observed in various natural photosynthetic reaction center proteins using magic-angle spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and in a flavin-binding light-oxygen-voltage (LOV) domain of the blue-light receptor phototropin. In the latter system, a functionally instrumental cysteine has been mutated to interrupt the natural cysteine-involving photochemistry allowing for an electron transfer from a more distant tryptophan to the excited flavin mononucleotide chromophore. We explored the solid-state photo-CIDNP effect and its mechanisms in phototropin-LOV1-C57S from the green alga Chlamydomonas reinhardtii by using field-cycling solution NMR. We observed the 13 C and, to our knowledge, for the first time, 15 N photo-CIDNP signals from phototropin-LOV1-C57S. Additionally, the 1 H photo-CIDNP signals of residual water in the deuterated buffer of the protein were detected. The relative strengths of the photo-CIDNP effect from the three types of nuclei, 1 H, 13 C and 15 N were measured in dependence of the magnetic field, showing their maximum polarizations at different magnetic fields. Theoretical level crossing analysis demonstrates that anisotropic mechanisms play the dominant role at high magnetic fields.

In this Article we describe the OpenMolcas environment and invite the computational chemistry community to collaborate. The open-source project already includes a large number of new developments realized during the transition from the commercial MOLCAS product to the open-source platform. The paper initially describes the technical details of the new software development platform. This is followed by brief presentations of many new methods, implementations, and features of the OpenMolcas program suite. These developments include novel wave function methods such as stochastic complete active space self-consistent field, density matrix renormalization group (DMRG) methods, and hybrid multiconfigurational wave function and density functional theory models. Some of these implementations include an array of additional options and functionalities. The paper proceeds and describes developments related to explorations of potential energy surfaces. Here we present methods for the optimization of conical intersections, the simulation of adiabatic and nonadiabatic molecular dynamics, and interfaces to tools for semiclassical and quantum mechanical nuclear dynamics. Furthermore, the Article describes features unique to simulations of spectroscopic and magnetic phenomena such as the exact semiclassical description of the interaction between light and matter, various X-ray processes, magnetic circular dichroism, and properties. Finally, the paper describes a number of built-in and add-on features to support the OpenMolcas platform with postcalculation analysis and visualization, a multiscale simulation option using frozen-density embedding theory, and new electronic and muonic basis sets.In this Article we describe the OpenMolcas environment and invite the computational chemistry community to collaborate. The open-source project already includes a large number of new developments realized during the transition from the commercial MOLCAS product to the open-source platform. The paper initially describes the technical details of the new software development platform. This is followed by brief presentations of many new methods, implementations, and features of the OpenMolcas program suite. These developments include novel wave function methods such as stochastic complete active space self-consistent field, density matrix renormalization group (DMRG) methods, and hybrid multiconfigurational wave function and density functional theory models. Some of these implementations include an array of additional options and functionalities. The paper proceeds and describes developments related to explorations of potential energy surfaces. Here we present methods for the optimization of conical intersections, the simulation of adiabatic and nonadiabatic molecular dynamics, and interfaces to tools for semiclassical and quantum mechanical nuclear dynamics. Furthermore, the Article describes features unique to simulations of spectroscopic and magnetic phenomena such as the exact semiclassical description of the interaction between light and matter, various X-ray processes, magnetic circular dichroism, and properties. Finally, the paper describes a number of built-in and add-on features to support the OpenMolcas platform with postcalculation analysis and visualization, a multiscale simulation option using frozen-density embedding theory, and new electronic and muonic basis sets.

Abstract In this work, the electronic structure and spectroscopic properties of lumiflavin are calculated using various quantum chemical methods. The excitation energies for ten singlet and triplet states as well as the analysis of the electron density difference are assessed using various wave function-based methods and density functionals. The relative order of singlet and triplet excited states is established on the basis of the coupled cluster method CC2. We find that at least seven singlet excited states are required to assign all peaks in the UV/Vis spectrum. In addition, we have studied the solvatochromic effect on the excitation energies and found differential effects except for the first bright excited state. Vibrational frequencies as well as IR, Raman and resonance Raman intensities are simulated and compared to their experimental counterparts. We have assigned peaks, assessed the effect of anharmonicity, and confirmed the previous assignments in case of the most intense transitions. Finally, we have studied the NMR shieldings and established the effect of the solvent polarity. The present study provides data for lumiflavin in the gas phase and in implicit solvent model that can be used as a reference for the protein-embedded flavin simulations and assignment of experimental spectra.

Color vision is based on the ability of different opsin proteins to tune the absorption band of their chromophore, the retinal protonated Schiff base (RPSB). Two main mechanisms proposed for this tunability are geometric and electrostatic. Here we probe the latter effect experimentally and by a quantum chemical calculation of the absorption by an isolated complex containing the retinal chromophore and molecules with a strong dipole moment. Betaine complexation causes an anomalously large blue shift. The shift provides direct evidence that the strong charge-transfer character of the electronic transition is the cause of the opsin shift, and shows that the electric field of the counterion is responsible for the color tuning, which allows absorption of light in the blue region of the visible spectrum by opsin proteins.

The first event of the channelrhodopsin-2 (ChR2) photocycle, c'est à dire. trans-à-cis photoisomerization, is studied by means of quantum mechanics/molecular mechanics, taking into account the flexible retinal environment in the ground state. By treating the chromophore at the ab initio multiconfigurational level of theory, we can rationalize the experimental findings based on pump–probe spectroscopy, explaining the different and more complex scenario found for ChR2 in comparison to other rhodopsins. In particular, we find that depending on the hydrogen bonding pattern, different excited states are involved, hence making it possible to suggest one pattern as the most productive. Moreover, after photoisomerization the structure of the first photocycle intermediate, P 500 1, is characterized by simulating the infrared spectrum and compared to available experimental data. This was obtained by extensive molecular dynamics, where the chromophore is described by a semi-empirical method based on density functional theory. The results clearly identify which counterion is responsible for accepting the proton from the retinal Schiff base: the side chain of the glutamic acid E123.

ABSTRACT The performance of the extended multi-state (XMS)-complete active space second-order perturbation theory (CASPT2) method has been assessed for the benchmark of a truncated retinal model, the penta-2,4-dieniminium cation (PSB3). This benchmark presents a challenge for multireference electronic structure methods because the wave function character is changing considerably. The assessment comprises ground and excited state pathways of the isomerisation, including transition states and conical intersection (CI) points. It also includes circular paths centred around different CIs, and 2D potential energy scans located in the branching planes. In this work, we compare the performance of the previous formulations of CASPT2, the single-state and the multi-state, with the recently developed XMS-CASPT2. Besides, we have also tested two variants of internal contraction in XMS-CASPT2, namely, the single-state single reference (SS-SR) and multi-state multireference (MS-MR) schemes. In our study, we find that XMS-CASPT2 corrects the artefacts and discontinuities present in other CASPT2 variants. The investigation of a circular loop and 2D potential energy surfaces around the surface crossing point shows that XMS-CASPT2 exhibits a smooth topology at the CI with the correct degeneracy. It also agrees better with the reference method MRCISD+Q in regions of the potential energy surfaces further away from CIs. Another observation is the close agreement between the results from the SS-SR contraction scheme and the more demanding MS-MR scheme.


Anders, K., and Essen, L.-O. (2015). The family of phytochrome-like photoreceptors: diverse, complex and multi-colored, but very useful. Cour. Avis. Structurer. Biol. 35, 7�. doi: 10.1016/j.sbi.2015.07.005

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Citation: Fushimi K, Nakajima T, Aono Y, Yamamoto T, Ni-Ni-Win, Ikeuchi M, Sato M and Narikawa R (2016) Photoconversion and Fluorescence Properties of a Red/Green-Type Cyanobacteriochrome AM1_C0023g2 That Binds Not Only Phycocyanobilin But Also Biliverdin. Devant. Microbiole. 7:588. doi: 10.3389/fmicb.2016.00588

Received: 28 January 2016 Accepted: 11 April 2016
Published: 26 April 2016.

Youn-Il Park, Chungnam National University, South Korea
Andreas Möglich, Universität Bayreuth, Germany
Scheer Hugo, Universität München, Germany

Copyright © 2016 Fushimi, Nakajima, Aono, Yamamoto, Ni-Ni-Win, Ikeuchi, Sato and Narikawa. Il s'agit d'un article en libre accès distribué sous les termes de la Creative Commons Attribution License (CC BY). L'utilisation, la distribution ou la reproduction dans d'autres forums est autorisée, à condition que le ou les auteurs originaux ou le concédant de licence soient crédités et que la publication originale dans cette revue soit citée, conformément à la pratique académique acceptée. Aucune utilisation, distribution ou reproduction non conforme à ces conditions n'est autorisée.