Оранжевый каротиноидный белок (ОКБ) играет важную роль в фотосинтетическом аппарате цианобактерий. Цианобактерии - древнейшие организмы, осуществляющие оксигенный фотосинтез - сталкиваются с необходимостью нефотохимического тушения на интенсивном свету для предотвращения окислительного стресса. В отличие от зелёных растений, функцию тушителя у цианобактерий выполняет оранжевый каротиноидный белок. ОКБ представляет собой фоторецептор с молекулярной массой 35 кДа, который активируется синим светом. Он состоит из двух доменов - полностью α-спирального N-концевого домена и смешанного α-спирального/β-листового С-концевого домена, между которыми нековалентно закреплена молекула кантаксантина, необходимая для фотоактивности. При фотоактивации ОКБ переходит в физиологически активное красное состояние посредством образования многочисленных промежуточных соединений, а квантовый выход такого перехода чрезвычайно низок (около 0,2%). Уникальность ОКБ состоит в том, что это единственный из известных фотоактивных белков, в котором в качестве фоточувствительных хромофоров используются каротиноиды.

В рамках данного исследования был проведён расчёт молекулярной динамики темнового варианта ОКБ длительностью 1 мкс с использованием программного пакета GROMACS версии 2020.1 [1] и силового поля OPLS-AA [2]. Были выбраны шаг интеграции 1 фс и периодические граничные условия. Симуляция проводилась при температуре 300К и давлении 1 атм, которые поддерживались с помощью алгоритмов V-rescale [3] и Parrinello-Rahman [4] соответственно. Для кулоновских и ван-дер-ваальсовых взаимодействий был задан радиус отсечки 12 Å. Электростатические эффекты контролировались алгоритмом PME [5]. Белок был растворён в воде (модель TIP4P), 7 ионов натрия были добавлены для нейтрализации системы. Перед проведением молекулярной динамики система была подвержена процедуре минимизации энергии и последующего нагревания с 5 до 300К. Анализ данных проводился с помощью языка программирования Python версии 3.9.12. Для упрощения анализа атомы пи-сопряжённой цепи кантаксантина были пронумерованы от 0 до 25, начиная с кислорода кето-группы, расположенной ближе к N-концу белка.

Мы рассчитали электростатический потенциал на каждом атоме кантаксантина - сумму потенциалов, созданных атомами белка как точечными зарядами. Было показано падение среднего по траектории электростатического потенциала вдоль пи-сопряженной цепи кантаксантина с амплитудой 25 мВ. При этом явление оказалось ступенчатым: с 0 до 10 атома происходит линейное падение потенциала на 10 мВ, а с 11 по 22 атом - линейное падение потенциала на 15 мВ с большим углом наклона прямой. Потенциал 22-25 атомов значительно не изменяется и колеблется вокруг отметки -40мВ.

Интересно, что наибольший вклад в формирование электростатического потенциала, созданного белком, вносят аминокислоты ARG155, GLU244, PHE315. Полученные результаты станут основой для дальнейших исследований, предполагающих введение точечных замен и применения квантово-химического подхода для оценки влияния изменений в структуре белка на спектральные свойства каротиноидов.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-74-00012.



1. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX. 2015;1-2: 19–25.

2. Jorgensen WL, Maxwell DS, Tirado-Rives J. Development and testing of the OPLS all-atom force field on conformational energetics and properties of organic liquids. J Am Chem Soc. 1996;118: 11225–11236.

3. Bussi G, Donadio D, Parrinello M. Canonical sampling through velocity rescaling. J Chem Phys. 2007;126: 014101.

4. Parrinello M, Rahman A. Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method. J Appl Phys. 1981;52: 7182–7190.

5. Essmann U, Perera L, Berkowitz ML, Darden T, Lee H, Pedersen LG. A smooth particle mesh Ewald method. J Chem Phys. 1995;103: 8577–8593.

Orange carotenoid protein (OCP) plays an important role in the photosynthetic apparatus of cyanobacteria. Cyanobacteria, the oldest organisms involved in oxygenic photosynthesis, face the need for non-photochemical quenching in intense light to prevent oxidative stress. Unlike green plants, the quencher function in cyanobacteria is performed by the orange carotenoid protein. OCP is a 35 kDa photoreceptor that is activated by blue light. It consists of two domains - a fully α-helical N-terminal domain and a mixed α-helical/β-sheet C-terminal domain, between which the photoactive canthaxanthin molecul is non-covalently fixed. Upon photoactivation, OCP transforms into a physiologically active red state through the formation of numerous intermediate compounds, and the quantum yield of such a transition is extremely low (about 0.2%). OCP is unique in that it is the only known photoactive protein in which carotenoids are used as photosensitive chromophores.

As part of this study, we calculated the molecular dynamics of a dark OCP variant with a duration of 1 µs using the GROMACS software package version 2020.1 [1] and the OPLS-AA force field [2]. An integration step of 1 fs and periodic boundary conditions were chosen. The simulation was carried out at a temperature of 300K and a pressure of 1 atm, which were maintained using the V-rescale [3] and Parrinello-Rahman [4] algorithms, respectively. For Coulomb and van der Waals interactions, a cutoff radius of 12 Å was set. Electrostatic effects were controlled by the PME algorithm [5]. The protein was solved in water (model TIP4P), 7 sodium ions were added to neutralize the system. Before conducting molecular dynamics, the system was subjected to an energy minimization procedure and subsequent heating from 5 to 300K. Data analysis was carried out using the Python programming language version 3.9.12. To simplify the analysis, the atoms of the pi-conjugated chain of canthaxanthin were numbered from 0 to 25, starting from the oxygen of the keto group located closer to the N-terminus of the protein.

We calculated the electrostatic potential at each atom of canthaxanthin - the sum of the potentials created by the protein atoms as point charges. There was shown the reduction of a trajectory-averaged electrostatic potential along the pi-conjugated canthaxanthin chain with an amplitude of 25 mV. In this case, the phenomenon turned out to be stepwise: from 0 to 10 atom, a linear potential drop by 10 mV occurs, and from 11 to 22 atom, a linear potential drop by 15 mV occurs with a large slope of the straight line. The potential of 22-25 atoms does not change significantly and fluctuates around -40mV.

Interestingly, the amino acids ARG155, GLU244, PHE315 make the greatest contribution to the formation of the electrostatic potential created by the protein. The results obtained will form the basis for further studies involving the point mutations and the use of a quantum chemical approach to assess the effect of changes in the protein structure on the spectral properties of carotenoids.

The study was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. 22-74-00012.



1. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX. 2015;1-2: 19–25.

2. Jorgensen WL, Maxwell DS, Tirado-Rives J. Development and testing of the OPLS all-atom force field on conformational energetics and properties of organic liquids. J Am Chem Soc. 1996;118: 11225–11236.

3. Bussi G, Donadio D, Parrinello M. Canonical sampling through velocity rescaling. J Chem Phys. 2007;126: 014101.

4. Parrinello M, Rahman A. Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method. J Appl Phys. 1981;52: 7182–7190.

5. Essmann U, Perera L, Berkowitz ML, Darden T, Lee H, Pedersen LG. A smooth particle mesh Ewald method. J Chem Phys. 1995;103: 8577–8593.