La plupart des méthodes de caractérisation structurale des biomolécules, comme la cristallographie aux rayons X ou la microscopie électronique, nécessitent des échantillons statiques ou cristallisés. Fixation de molécules fluorescentes à la surface des protéines, cependant, permet l'imagerie directe des interactions biomoléculaires dynamiques à l'aide de la lumière, qui pourrait être amélioré, disent les chercheurs A*STAR, avec modélisation prédictive des durées de vie de fluorescence.

La fluorescence implique normalement des molécules uniques qui absorbent spontanément la lumière et la réémettent ensuite sous une couleur différente. Mais dans les bonnes conditions, un photon absorbé peut passer d'une molécule donneuse à un composé accepteur voisin qui émet également une fluorescence. Les chercheurs ont récemment exploité la forte dépendance de la distance de cet effet pour produire des «règles spectroscopiques» qui mesurent la dynamique à l'échelle nanométrique entre les sondes donneur et accepteur attachées à différentes parties d'un squelette protéique.

Un défi majeur consiste à fabriquer des règles spectroscopiques avec une précision acceptable. Les fluorophores conventionnels ont de grandes, des structures flexibles qui appuient contre les protéines de multiples manières, ce qui rend difficile la mesure de la longueur de la règle. Alors pour chercher des alternatives, Tsz Sian Chwee et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing ont étudié s'ils pouvaient calculer la fluorescence de petites molécules rigides connues sous le nom de syn-bimanes, puis utiliser ces théories pour la conception de sondes.

Approches typiques de la chimie quantique, cependant, ont du mal à calculer les propriétés lorsqu'une molécule absorbe un photon et entre dans un état excité. Chwee et son équipe espéraient surmonter ces inexactitudes en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité dépendante du temps qui traite le problème des électrons excités avec un algorithme d'« échange-corrélation » dérivé en partie d'expériences.

"La théorie fonctionnelle de la densité dépendante du temps est utilisée par la communauté scientifique pour étudier des phénomènes tels que l'absorption et l'émission, mais le plein potentiel de cette approche n'a pas encore été exploité, " dit Chwee.

En utilisant les durées de vie de fluorescence comme paramètre de test, les chercheurs ont comparé comment différentes théories d'échange-corrélation simulaient des syn-bimanes de manière réaliste, situations remplies de solvant. Ces essais ont révélé que les modèles incorporant des interactions vibroniques (le couplage synchronisé des vibrations moléculaires aux excitations électroniques) fournissaient les prédictions les plus précises des durées de vie fluorescentes. Ils ont découvert plusieurs fonctions d'échange-corrélation capables de traiter ces équations à un coût de calcul minimal.

« Les aspects vibroniques ont été largement négligés, même s'ils jouent un rôle décisif dans la photophysique des molécules fluorescentes, " note Chwee. " Alors que nous faisions nos calculs sur des supercalculateurs, les ressources de calcul sont assez modestes, elles auraient pu être complétées sur un poste de travail moderne en quelques semaines."

Chwee prévoit qu'une analyse rapide à l'aide des théories fonctionnelles de la densité pourrait être plus efficace pour repérer les candidats sondes fluorescentes rares avec une forte absorption et des propriétés d'émission réglables.