Neuartige nicht-lineare spektroskopische Nachweisverfahren der primären Photoreaktionen in Photolyasen und Cryptochromen

• Antragsteller: Professor Dr. Benjamin Fingerhut
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260966011

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuartiger Simulationsalgorithmen für moderne zeitaufgelöste vibronische und optische spektroskopische Methoden. Beide Techniken nutzen unterschiedliche Beobachtungsfenster, um ultraschnelle, durch konische Durchschneidungen vermittelte Photoreaktionen in Echtzeit abzubilden. Die involvierten molekularen Bewegungen können direkt durch Zeit- und Frequenz-aufgelöste Infrarot- und Raman-Techniken beobachtet werden. Für deren Simulation soll eine Hierarchie an Algorithmen entwickelt werden, in welcher vollkommen quantenmechanische Protokolle als Richtgröße für die eingeführten semi-klassischen Näherungen dienen, um Simulationen charakteristischer vibronischer Signaturen von biologisch relevanten Systemen zu ermöglichen. Multidimensionale spektroskopische Methoden im optischen Frequenzbereich erlauben es, den Energiefluss und Wechselwirkungen zwischen Chromophoren aufzulösen. Neuartige Simulationsprotokolle basierend auf der Co-Bosonisierung der fermionischen Multiexcitonenzustände werden es ermöglichen, innovative Signale höherer Ordnung vorherzusagen, welche die Vielteilchenkorrelationen in Chromophor-Aggregaten offenbaren und Transportphänomene im wichtigen UV-Spektralbereich zugänglich machen. Die entwickelten Algorithmen werden verwendet werden, um den Mechanismus der komp- Superfamilie zu untersuchen. Die zeitaufgelösten vibronischen Techniken sollen primär verwendet werden, um molekulare Nachweise der Reversion von Photoschäden vorherzusagen und so letztendlich die kontroversen mechanistischen Vorhersagen zur Reparatur von (6-4) Photoprodukten zu überprüfen. Die multidimensionalen optischen Signale werden zur Unterscheidung von Ladungstransfer-Wegen in Cryptochromen dienen, um ein universales Modell der primären Signalübertragung zu entwickeln. Neuartige, durch Chiralität induzierte multidimensionale Signale bieten das Potenzial den durch Lichtabsorption verursachten Konformationsänderungen in Echtzeit zu folgen und so ein detailliertes Verständnis der für die Signalübertragung notwendigen Umwandlung von elektronischer Anregung in mechanische Bewegung zu ermöglichen. Die theoretischen Entwicklungen des Projektes eröffnen somit die Möglichkeit, Signaturen der frühesten mechanistischen Schritte biologisch wichtiger Prozesse sichtbar zu machen, indem die bekannte Proteinstruktur mit der Lichtinduzierten Dynamik in Verbindung gebracht und so ein umfassendes Bild der Proteinfunktion ermöglicht wird.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen