Struktūra

Teoriniai matematinio modeliavimo tyrimai

Vykdytojai: Edvardas Rybakovas, Andrius Gelžinis, Leonas Valkūnas.

Tyrimų tema 1: Spektrinės ir dinaminės antrosios fotosistemos reakcijų centro savybės

Antroji fotosistema (FSII) yra vienintelis žinomas molekulinis biologinis kompleksas gebantis suskaidyti vandenį, todėl ji yra ne tik žmonijai, bet ir kitiems gyviems organizmams reikalingo deguonies šaltinis. Jos reakcijų centre (RC) (žr. Pav. 1) vyksta pirminis krūvio atskyrimas [1]. Nepaisant daugelio tyrimų, dar nėra visuotinio sutarimo dėl krūvio atskyrimo kelių bei šiame procese dalyvaujančių būsenų.

Ankstesniuose darbuose buvo pristatytas FSII RC stipriojo ryšio modelis [2]. Šiuo metu yra plėtojamas atnaujintas modelis, į kurį įtraukta viena krūvio pernašos (CT) būsena. Modelio parametrai (pigmentų energijos, netvarka, sąveikos su virpesiniais laisvės laipsniais stiprumas) buvo nustatyti derinant suskaičiuotus spektrus su eksperimentiniais rezultatais. Buvo gautas geras sutapimas tarp suskaičiuotų ir sumodeliuotų spektrų [3].

Itin aktualus klausimas yra virpesinių laisvės laipsnių įtaka krūvio atskyrimo dinamika. Nors apie ją jau seniai spekuliuojama, bet apčiuopesnių skaičiavimų trūko. Neseniai atlikta FSIIRC dvimačių spektrų analizė ir supaprastintas modeliavimas parodė, kad virpesinių laisvės laipsnių įtaka gali būti ženkli, esant artimoms rezonansui sąlygoms [4].

 Pav. 1. Pigmentų ir kitų kofaktorių išsidėstymas FSII RC.

Literatūra
[1] R. E. Blankenship, Molecular Mechanisms of Photosynthesis, 2nd edition (Wiley Blackwell, Chichester, 2014).
[2] A. Gelzinis, et al. New J. Phys. 15, 075013, (2013).
[3] A. Gelzinis, D. Abramavicius, J. P. Ogilvie, L. Valkunas. J. Chem. Phys. 147, 115102 (2017).
[4] F. D. Fuller, et al. Nature Chemistry 6, 706-711 (2014). 

Tyrimų tema 2: Pernašos tenzorių metodo taikymas molekulinių sistemų dinamikos skaičiavimams

Kvantinės sistemos, kurios sąveikauja su aplinka vadinamos atviromis. Tokių sistemų dinamika aprašoma pasitelkiant tankio matricos formalizmą. Yra išvesta nemažai metodų, leidžiančių skaičiuoti atvirų kvantinių sistemų dinamiką [1], tačiau visi jie turi trukumų: vieni lėti, kiti kelia apribojimus parametrams.

2014 metais J. Cerrilo ir J. Cao pasiūlė dar vieną metodą - pernašos tenzorius [2]. Tai tikslus, greitas ir nesudėtingas metodas, tačiau jis, kaip ir visi kiti, vis tiek nėra idealus - metodas reikalauja nemažai pradinių duomenų, suskaičiuotų kitu metodu. Pernašos tenzorių metodas veikia taip (žr. Pav. 2): pasirinktu kitu metodu suskaičiuojamas sistemos evoliucijos superoperatorius (skaičiuojant sistemos tankio operatoriaus evoliucijas iki tam tikro laiko esant skirtingoms pradinėms sąlygoms), iš šių duomenų sukonstruojami pernašos tenzoriai ir juos panaudojant skaičiuojama tolesnė sistemos tankio operatoriaus evoliucija.

Mūsų grupė neseniai atliko išsamų šio metodo tyrimą [3], kurio metu buvo išsiaiškinta, kokiuose sistemos parametrų režimuose pernašos tenzorių metodo pritaikymas leidžia sutaupyti daugiausiai kompiuterinio skaičiavimo laiko.

Pav. 2. Pernašos tenzorių fizikinė prasmė.

Literatūra
[1] L. Valkunas, D. Abramavicius, and T. Mančal. Wiley-VCH, Berlin (2013). 
[2] J. Cerillo and J. Cao, Phys. Rev. Lett. 112, 110401 (2014).
[3] A. Gelzinis, E. Rybakovas, L. Valkunas. J. Chem. Phys. 147, 234108 (2017). 

Eksperimentiniai ansamblio lygio tyrimai

Vykdytojai: Aurimas Vyšniauskas, Marius Franckevičius, Ramūnas Augulis, Marius Franckevičius, Vidmantas Gulbinas.

Tyrimų tema 1: Klampai arba temperatūrai jautrių fluoroforų tyrimas ir kūrimas

Vienas patogiausių būdų matuoti klampai mikroskopinio dydžio objektuose (modelinėse membranose, aerozoliuose, gyvose ląstelėse) yra naudojantis klampai jautriais fluoroforais [1]. Įprastai jų fluorescencijos gyvavimo trukmė yra priklausoma nuo klampos ir tas leidžia juos taikyti naudojantis fluorescencijos gyvavimo trukmės vaizdinimo mikroskopija (FLIM), ko pasekoje yra gaunamas mikroskopinio objekto klampos „žemėlapis“. Nepaisant šios metodikos potencialo, klampos sensorių fotofizikinės savybės ir jų jautrumas kitiems aplinkos parametrams (temperatūrai ar tirpiklio poliškumui) nėra pakankamai ištirtas, nors tai yra svarbu žinoti juos taikant.

Klampa yra kertinis fizikinis parametras, kuris lemia ląstelės ir jos membranos fizikines sąvybes. Taip pat ji nusako, kokiu greičiu joje ląstelėje judėti makromolekulės, ir nulemia daugelio reakcijų ląstelėje greitį. Tuo tarpu temperatūra ląstelėje keičiasi vykstant ir natūraliems, ir nenatūraliems procesams, pvz. uždegimui. Vienas patogiausių būdų matuoti klampai arba temperatūrai mikroskopinio dydžio objektuose (modelinėse membranose, aerozoliuose, gyvose ląstelėse) yra naudojantis klampai arba temperatūrai jautriais fluoroforais. Įprastai jų fluorescencijos gyvavimo trukmė yra priklausoma nuo klampos arba temperatūros ir tai leidžia šuos taikyti naudojantis fluorescencijos gyvavimo trukmės vaizdinimo mikroskopija (FLIM), ko pasekoje yra gaunamas mikroskopinio objekto klampos arba temperatūros „žemėlapis“. Nepaisant šios metodikos potencialo, klampai arba temperatūrai jautrių sensorių fotofizikinės savybės nėra pakankamai ištirtos. Tai ženkliai pasunkina geresnių klampai arba temperatūrai jautrių fluoroforų kūrimą, kas yra problema, nes šiuo metu naudojami fluoroforai matuoti klampai arba temperatūrai turi trūkumų.

Pagrindiniai tikslai šioje tematikoje yra:

• Išsamiai ištirti klampai ir temperatūrai jautrių fluoroforų spektroskopines savybes bei paaiškinti jų veikimo principą.
• Pasiūlyti molekulines struktūras naujiems ir geresniems klampos arba temperatūros sensoriams. Norimos savybės:
  • jautrumas tik vienam parametrui, pvz. tik klampai, bet ne aplinkos poliškumui;
  • absorbcija bei fluorescencija ties aukštais bangos ilgiais ( > 650 nm);
  • didesnis jautrumas klampai ar temperatūrai; platesnis jautrumo diapazonas. 

Bendradarbiavimas
Fluoroforų sintezė: prof. S. Tumkevičius (VU)
Teoriniai skaičiavimai: prof. J. Šulskus ir dr. S. Toliautas (VU)
Taikymas ląstelėse: prof. R. Rotomskis (NVI, biomedicininės fizikos laboratorija)
dr. M. Kuimova (Imperial College London)

Literatūra
[1] A. Vyšniauskas, et al. Chem. Sci., 6, 5773-5778 (2015).
[2] A. Vyšniauskas, I. et al. Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 25252-25259 (2017). 

Tyrimų tema 2: Fotoliuminescencijos slopimas atskleidžia krūvio porų disociaciją perovskitiniuose saulės elementuose

Per paskutinį dešimtmetį provskitai pasirodė besą daug žadančios medžiagos fotovoltiniams taikymams, šiuo metu pasiekiantys ypač aukštą galios vertimo efektyvumą apie 22.7% [1]. Todėl jie tapo pagrindiniu konkurentu įprastiems silicio saulės elementams. Nepaisant greito įrenginių efektyvumo progreso, kuris yra daugiausiai pasiekiamas optimizuojant jų formulavimo ir gamybos procesus, fundamentalus perovskitų savybių supratimas, užtikrinantis aukštą fotovoltinį veikimą, velkasi iš paskos. Mes siekiame suprati šviesos sukeltų krūvininkų kilmę ir pradinę dinamiką metilamonio švino jodido perovskituose (MAPbI3) naudojant fotoliuminescencijos spektroskopiją su kelių ps laikine skyra. Matavimai atlikti per penkias eiles keičiant fotožadinimo intensyvumą leido atskirti fotoliuminescencijos komponentus susijusius su geminantine ir negeminantine krūvininkų rekombinacija ir tirti izoliuotos geminantinės elektrono-skylės poros dinamiką. Geminantinė rekombinacija dominuoja esant žemam žadinimo intensyvumui ir lemia pradinį fotoliuminescencijos slopimą (Pav. 3). Šis slopimo komponentas yra ypač nepriklausomas nuo medžiagos struktūros ir eksperimento sąlygų. Buvo parodyta, kad geminantinė ir ne geminantinė spindulinės rekombinacijos komponentės priklausomybės nuo žadinimo intensyvumo, pasikartojimo dažnio, temperatūros yra sunkiai suderinamos su krūvininkų gaudykle ir eksitono disociacijos modeliais. Remiantis pusiau-klasikinių kvantinių ir mechaninių skaitmeninių skaičiavimų rezultatais buvo argumentuota kad greita slopimo komponentė kyla iš gradualaus šviesos sukurto silpnai prisijungusios geminantinės krūvio poros erdvinio atskyrimo. Detaliau šie rezultatai yra aprašyti publikuotame straipsnyje [2].

Pav 3. MAPbI3 perovskitinių plėvelių fotoliuminescencijos laikinės priklausomybės spektras išmatuotas kambario temperatūroje esant 670 nm žadinimui su 600kHz pasikartojimo dažniu ir 3µJcm^-2 krūvininkų tėkmei.

Literatūra
[1] D. Bi, et al, Sci. Adv, 2, e1501170 (2016).
[2] R. Augulis, et al. Advanced Energy Materials, 7, 1700405 (2017). 

Eksperimentiniai pavienių molekulių lygio tyrimai

Vykdytojai: Marijonas Tutkus, Danielis Rutkauskas, Jevgenij Chmeliov, Gediminas Trinkūnas, Leonas Valkūnas.

Tyrimų tema 1: DNR ir baltymų sąveikos tyrimai naudojant pavienių molekulių fluorescencinę mikroskopiją

Per daugiau nei 20 metų, nuo pirmųjų pritaikymų biofizikiniuose tyrimuose, pavienių molekulių (PM) fluorescencijos metodai subrendo ir išsiplėtojo leisdami atsakyti į daugelį biologinių klausimų, į kuriuos atsakymų nebuvo rasta naudojant ansamblio tipo matavimo metodus. Šiuo metu PM fluorescencijos metodai naudojant Fiorsterio rezonansinę energijos pernašą (FRET) ir kitus principus leidžia stebėti dinamines nukleorūgščių ir baltymų sąveikas, tirti konformacinę baltymų dinamiką, sekti individualių biomolekulių ir kitų nanometrinių dydžių biologinių kompleksų judėjimą mikroniniais atstumais ir atskleisti sukamuosius kompleksinių sistemų judesius [1].

Šiuo metu vykstant perėjimui iš in vitro į in vivo ir in situ sąlygas, yra tikimasi kad PM fluorescencijos ir FRET metodai taps plačiai naudojamu įrankiu molekulinėje biologijoje [2].

Mūsų laboratorijoje atliekami PM fluorescencinės mikroskopijos tyrimai šiuo metu fokusuojasi į mechanistinį Restrikcijos endonukleazių (REazės) ir DNR sąveikų išaiškinimą. REazės saugo bakterijas nuo neigiamo virusinės DNR poveikio. Antrojo tipo REazės atpažįsta 4 - 8 bazių porų ilgio taikinius esančius virusinėje DNR ir juos perkerpa pusiau. Tokiu būdu virusinė DNR yra inaktyvuojama. Daugelis II-ojo tipo REazių vykdo efektyvų DNR karpymą tik prisijungusios prie dviejų DNR taikinių [4]. Vienu metu vykstanti tokio tipo edonukleazės sąveika su dviem DNR taikiniais galiausiai suformuoja DNR kilpą (Pav. 4).

Pavienių molekulių FRET matavimams pritaikome gerai veikiančią strategiją: biotinilintas ir FRET dažiklių pora pažymėtas DNR molekules imobilizavome ant silanizuoto ir metoksi-PEG bei biotin-PEG modifikuoto dengiamojo stiklelio per neutravidiną. Susiformavus DNR kilpai dažikliai esantys prie REazės taikinių suartėja ir donoro fluorescencijos energija rezonansiniu būdu yra pernešama į akceptorių (Pav. 1). Pernašos efektyvumas priklauso nuo atstumo tarp šių dažiklių. Šis metodas leidžia matuoti atstumą tarp dažiklių nuo 2 iki 10 nanometrų.

Mūsų išvystyta PM FRET mikroskopijos metodika DNR ir baltymo sąveikos tyrimams [5, 3] leido atlikti kiekybinius Ecl18kI REazės ir ant paviršiaus imobilizuotų DNR molekulių dinaminės sąveikos tyrimus. Šiame darbe mes parodėme, kad du ant DNR prisijungę Ecl18kI dimerai formuoja tetramerą ir kilpoja DNR tokiu greičiu, kuris yra keliomis eilėmis lėtesnis nei difuzijos greitis. Taip pat mūsų išvystyta matavimo metodika leido atskirti ir charakterizuoti dviejų tipų DNR kilpas.

Pav. 4. DNR kilpojimo tyrimų naudojant PM fluorescencinės mikroskopijos ir FRET schema. FRET dažiklių pora žymėtas, du Ecl18kI prisijungimo taikinius turintis biotinilintas DNR fragmentas per Neutravidiną yra prijungiamas prie stiklelio. Prie kiekvieno iš taikinių prisijungia po Ecl18kI dimerą, kurie tarpusavyje sąveikaudami suformuoja DNR kilpą. Ecl18kI atpažįsta palindrominę taikinio seką, todėl DNR kilpa gali susiformuoti dviejų tipų (U formos ir phi formos). Mūsų išvystytas PM fluorescencinės mikroskopijos tyrimo metodas leido realiu laiku stebėti kiekvienos iš šių kilpų dinamiką [5].

Kito susijusio darbo tema buvo kiekybinis DNR sąveikos charakterizavimas su homotetramerine REaze-NgoMIV, sąveikaujančia su dviem simetriškais 5′-GCCGGC-3′ DNR taikiniais. NgoMIV indukuotas DNR kilpojimas buvo bandomas tirti anksčiau biocheminiais metodais [6], bet DNR kilpos pasirodė esančios pernelyg nestabilios. Taip pat, panaudojant pavienių molekulių fluorescencijos koreliacijos spektroskopiją buvo rastos NgoMIV-DNR kompleksų difuzijos charakteristikos [7]. Šiame darbe mes tyrėme NgoMIV sąveikos su ant paviršiaus imobilizuotais DNR fragmentais dinamiką realiu laiku, panaudodami pavienių molekulių FRET ir visiško vidaus atspindžio fluorescencijos (TIRF) mikroskopijos metodą [8]. DNR fragmentai buvo pažymėti fluorescentiniais dažikliais arti NgoMIV atpažinimo sekų taip, kad DNR taikiniams suartėjus dėl sąveikos su REaze, atstumas tarp dažiklių tampa tinkamas efektyviai FRET. Tokiu būdu, FRET efektyvumo kitimas yra tiesiogiai susijęs su DNR sąveikos su NgoMIV dinamika. Papildomai FRET, naudotai stebėti NgoMIV indukuojamam DNR kilpojimuisi, taip pat buvo panaudotas baltymo indukuotas fluorescencijos sustiprinimo efektas (PIFE) charakterizuoti NgoMIV-DNR kompleksų disociacijai. Kombinuojant šias dvi metodikas buvo gautos DNR išsikilpojimo ir NgoMIV disociacijos kinetinės konstantos. Buvo gauta, kad NgoMIV disocijuoja nuo pavienio DNR taikinio palyginti lėtai—vidutiniškai per ~5 min. Tuo tarpu, NgoMIV sąveika su dviem DNR taikiniais pasirodė esanti heterogeniška, demonstruojanti labai skirtingus DNR kilpos stabilumus (Pav. 5).

Stebėtas sąveikos nevienalytiškumas iš dalies buvo paaiškintas tuo, kad NgoMIV, būdamas tetramerinis baltymas, formuoja skirtingo pavidalo—specifines arba pusiau specifines kilpas, kuomet sąveikauja su dviem specifiniais arba vienu specifiniu ir vienu nespecifiniu DNR taikiniu, atitinkamai. Kita vertus, sąveikos įvairialypiškumas taip pat buvo susietas su galimu NgoMIV fermento konformaciniu heterogeniškumu.

Pav. 5. Skirtingos individualių DNR fragmentų FRET efektyvumo laikinės priklausomybės [8].

Tyrimų tema 2: Transmembraninių šviesą sugeriančių baltyminių kompleksų tyrimai dirbtinėje ir į natūralią panašioje aplinkoje naudojant vienos molekulės fluorescencinę mikroskopiją

Fotosintetinantys organizmai fotosintezės proceso metu iš neorganinių medžiagų, naudojant šviesos energiją, kuri priimama per šviesą sugeriančius pigmentus, pagamina įvairių organinių medžiagų. Augaluose vykstantys pirminiai sugertos šviesos energijos pernašos procesai yra gerai prisitaikę prie natūraliomis sąlygomis labai nepastovaus apšvietimo intensyvumo lygio. Vienas tokio adaptyvumo aspektų yra vadinamas nefotochemini o gesinimo procesas (NPQ), kuriuo išsklaidoma potencialiai žalinga perteklinė sugertos šviesos energija [9]. Augaluose pagrindinis NPQ dalyvis yra periferinis šviesą sugeriantis baltymų-pigmentų kompleksas – LHCII. Šis mūsų darbas skirtas aiškintis galimą LHCII komplekso indėlį į NPQ ypatybes ir membranos įtaką LHCII funkcijai.

Pav. 6. A) Eksperimento schema rodanti LHCII baltyminių kompleksų imobilizavimo metodą ant PLL modifikuoto stiklo detergento aplinkoje. B) Reprezentatyvus LHCII fluorescencijos emisijos intensyvumo signalas esant 635 nm žadinimui.

Mes pasitelkiame naują sinergiją apibūdintoje tyrimų šakoje tarp palyginti neseniai pradėtos taikyti fotosintetinių kompleksų tyrimams pavienių molekulių fluorescencijos mikroskopijos (Pav. 6) ir membraninių baltymų į terpimo į ant paviršiaus imobilizuotas liposomas technologijos (Pav. 7) [10]. Toks kombinuotas metodas leidžia išvengti paviršiaus įtakos tiriamam objektui ir leidžia nustatyti liposomos dydžio ir baltymo tankio liposomoje įtaką LHCII fluorescencijos intensyvumo signalams, bei charakterizuoti LHCII įsiterpimą į liposomas. Įprastiniai PM lygio detergento micelėse esančio LHCII tyrimai (Pav. 6) mums leido nustatyti chromoforų įtaką fluorescencijos blyksėjimo signalams [11].

Pav. 7. Eksperimento schema rodanti LHCII baltyminių kompleksų įterptų į įvairaus diametro liposomas imobilizavimo metodą. Liposomos turi biotinilintų ir fluorescentiškai žymėtų lipidų. B) Daugiau LHCII yra aptinkama mažose liposomose. Tai akivaizdžiai parodo liposomos dažo intensyvumo palyginimas su, šioje liposomoje esančių, LHCII fluorescencijos emisijos intensyvumu.

Literatūra
[1] C. Joo, H. Balci, Y. Ishitsuka, C. Buranachai, and T. Ha, Annu. Rev. Biochem 77, 51-76 (2008).
[2] M. Sustarsic and A. N. Kapanidis, Curr Opin Struct Biol. 34, 52-9 (2015).
[3] D. Rutkauskas, et al. J Phys Chem B. 118, 8575-82 (2014).
[4] M. Zaremba, and V. Siksnys, Biochemistry 54, 5340-7 (2015).
[5] M. Tutkus, T. Marciulionis, G. Sasnauskas, and D. Rutkauskas, Biophys J. 112, 850-858 (2017).
[6] S. E. Milsom, S. E. Halford, M. L. Embleton, M. D. Szczelkun, J Mol Biol 311, 515 (2001).
[7] Z. Katiliene, E. Katilius, N. W. Woodbury, Biophys J 84, 4053 (2003).
[8] M. Tutkus, et al. Biopolymers. 107(12), e23075 (2017).
[9] A. V. Ruban, et al. Biochimica et Biophysica Acta. 1817, 167–181 (2012).
[10] N. S. Hatzakis, et al. Nature chemical biology 5-11, 835-841 (2009).

1. E. Romero, R. Augulis, V.I. Novoderezhkin, M. Ferretti, J. Thieme, D. Zigmantas, R. van Grondelle. Quantum coherence in photosynthesis for efficient solar-energy conversion. Nature Physics 10, (2014), 676–682. DOI: 10.1038/nphys3017 
2. E. Belgio, E. Kapitonova, J. Chmeliov, C.D.P. Duffy, P. Ungerer, L. Valkūnas, A.V. Ruban. Economic photoprotection in photosystem II that retains a complete light-harvesting system with slow energy traps. Nature Communications 5, (2014), 4433-1-23. DOI: 10.1038/ncomms5433 
3. F.D. Fuller, J. Pan, A. Gelžinis, V. Butkus, S.S. Senlik, D.E. Wilcox, Ch.F. Yokum, L. Valkūnas, D. Abramavičius, J.P. Ogilvie. Vibronic coherence in oxygenic photosynthesis. Nature Chemistry 6, (2014), 706-711. DOI: 10.1038/nchem.2005 
4. S. Meloni, T. Moehl, W. Tress, M. Franckevičius, M. Saliba, Y. Lee, H. Yong, P. Gao, M.K. Nazeeruddin, S.M. Zakeeruddin, U. Rothlisberger, M. Graetzel. Ionic polarization-induced current-voltage hysteresis in CH3NH3PbX3 perovskite solar cells. Nature Communications 7, (2016), 1-9. Doi: 10.1038/ncomms10334 
5. J. Chmeliov, A. Gelzinis, E. Songaila, R. Augulis, P.D.C. Duffy, A.V. Ruban and L. Valkunas. The nature of self-regulation in photosyntheticlight-harvesting antenna. Nature Plants (2016), 16045. DOI: 10.1038/nplants.2016.45