QuasAr Odyssey: the origin of fluorescence and its voltage sensitivity in microbial rhodopsins

荧光 生物物理学 量子产额 质子化 脱质子化 光化学 光异构化 化学 生物 生物化学 异构化 物理 光学 离子 催化作用 有机化学
作者
Arita Silapetere,Songhwan Hwang,Yusaku Hontani,Rodrigo G. Fernandez Lahore,Jens Balke,Francisco Velázquez Escobar,Martijn Tros,Patrick E. Konold,Rainer Matis,Roberta Croce,Peter Jomo Walla,Peter Hildebrandt,Ulrike Alexiev,John T. M. Kennis,Han Sun,Tillmann Utesch,Peter Hegemann
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:19
标识
DOI:10.1038/s41467-022-33084-4
摘要

Abstract Rhodopsins had long been considered non-fluorescent until a peculiar voltage-sensitive fluorescence was reported for archaerhodopsin-3 (Arch3) derivatives. These proteins named QuasArs have been used for imaging membrane voltage changes in cell cultures and small animals. However due to the low fluorescence intensity, these constructs require use of much higher light intensity than other optogenetic tools. To develop the next generation of sensors, it is indispensable to first understand the molecular basis of the fluorescence and its modulation by the membrane voltage. Based on spectroscopic studies of fluorescent Arch3 derivatives, we propose a unique photo-reaction scheme with extended excited-state lifetimes and inefficient photoisomerization. Molecular dynamics simulations of Arch3, of the Arch3 fluorescent derivative Archon1, and of several its mutants have revealed different voltage-dependent changes of the hydrogen-bonding networks including the protonated retinal Schiff-base and adjacent residues. Experimental observations suggest that under negative voltage, these changes modulate retinal Schiff base deprotonation and promote a decrease in the populations of fluorescent species. Finally, we identified molecular constraints that further improve fluorescence quantum yield and voltage sensitivity.
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