La mayoría de los métodos para la caracterización estructural de biomoléculas, como cristalografía de rayos X o microscopía electrónica, requieren muestras estáticas o cristalizadas. Fijación de moléculas fluorescentes a superficies proteicas, sin embargo, permite obtener imágenes directas de interacciones biomoleculares dinámicas utilizando luz, que podría mejorarse, dicen los investigadores de A * STAR, con modelado predictivo de la vida útil de la fluorescencia.
La fluorescencia normalmente involucra moléculas individuales que absorben espontáneamente la luz y luego la vuelven a emitir con un color diferente. Pero en las condiciones adecuadas, un fotón absorbido puede saltar de una molécula donante a un compuesto aceptor cercano que también presenta fluorescencia. Los investigadores han explotado recientemente la fuerte dependencia de la distancia de este efecto para producir "reglas espectroscópicas" que miden la dinámica a nanoescala entre las sondas donantes y aceptoras unidas a diferentes partes de la estructura de una proteína.
Un desafío clave es hacer reglas espectroscópicas con una precisión aceptable. Los fluoróforos convencionales tienen grandes estructuras flexibles que presionan contra las proteínas de múltiples formas, lo que dificulta medir la longitud de la regla. Entonces, para buscar alternativas, Tsz Sian Chwee y sus colaboradores del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento investigaron si podían calcular la fluorescencia de moléculas rígidas y pequeñas conocidas como syn-bimanes, y luego use tales teorías para el diseño de sondas.
Enfoques típicos de la química cuántica, sin embargo, tienen problemas para calcular las propiedades cuando una molécula absorbe un fotón y entra en un estado excitado. Chwee y su equipo esperaban superar estas inexactitudes utilizando la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo que trata el problema de los electrones excitados con un algoritmo de "intercambio-correlación" derivado en parte de experimentos.
"La comunidad científica utiliza la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo para estudiar fenómenos como la absorción y la emisión, pero aún no se ha aprovechado todo el potencial de este enfoque, "dice Chwee.
Utilizando la vida útil de la fluorescencia como parámetro de prueba, los investigadores compararon cómo las diferentes teorías de intercambio-correlación simulaban sin-bimanes de manera realista, situaciones llenas de solvente. Estos ensayos revelaron que los modelos que incorporan interacciones vibrónicas (el acoplamiento sincronizado de vibraciones moleculares con excitaciones electrónicas) proporcionaron las predicciones más precisas de la vida útil de los fluorescentes. Descubrieron varias funciones de correlación de intercambio que son capaces de manejar estas ecuaciones a un costo computacional mínimo.
"Los aspectos vibrónicos se han pasado por alto en gran medida, a pesar de que juegan un papel decisivo en la fotofísica de moléculas fluorescentes, ", señala Chwee." Mientras llevábamos a cabo nuestros cálculos en supercomputadoras, los recursos computacionales son lo suficientemente modestos y podrían haberse completado en una estación de trabajo moderna en un par de semanas ".
Chwee anticipa que el análisis rápido utilizando teorías de función de densidad podría ser mejor para detectar candidatos de sonda fluorescente raros con fuerte absorción y propiedades de emisión sintonizables.
