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Directed Evolution of a Bright Variant of mCherry: Suppression of Nonradiative Decay by Fluorescence Lifetime Selections

麦克赫里 量子产额 荧光 激发态 亮度 物理 量子 原子物理学 化学 生物物理学 光学 绿色荧光蛋白 生物 量子力学 生物化学 基因
作者
Srijit Mukherjee,Premashis Manna,Sheng-Ting Hung,Felix Vietmeyer,Pia Friis,Amy E. Palmer,Ralph Jimenez
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:126 (25): 4659-4668 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c01956
摘要

The approximately linear scaling of fluorescence quantum yield (ϕ) with fluorescence lifetime (τ) in fluorescent proteins (FPs) has inspired engineering of brighter fluorophores based on screening for increased lifetimes. Several recently developed FPs such as mTurquoise2, mScarlet, and FusionRed-MQV which have become useful for live cell imaging are products of lifetime selection strategies. However, the underlying photophysical basis of the improved brightness has not been scrutinized. In this study, we focused on understanding the outcome of lifetime-based directed evolution of mCherry, which is a popular red-FP (RFP). We identified four positions (W143, I161, Q163, and I197) near the FP chromophore that can be mutated to create mCherry-XL (eXtended Lifetime: ϕ = 0.70; τ = 3.9 ns). The 3-fold higher quantum yield of mCherry-XL is on par with that of the brightest RFP to date, mScarlet. We examined selected variants within the evolution trajectory and found a near-linear scaling of lifetime with quantum yield and consistent blue-shifts of the absorption and emission spectra. We find that the improvement in brightness is primarily due to a decrease in the nonradiative decay of the excited state. In addition, our analysis revealed the decrease in nonradiative rate is not limited to the blue-shift of the energy gap and changes in the excited state reorganization energy. Our findings suggest that nonradiative mechanisms beyond the scope of energy-gap models such the Englman-Jortner model are suppressed in this lifetime evolution trajectory.
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