Каротиноиды являются одним из самых распространенных классов биологических пигментов. Спектральные свойства этих молекул определяются их сопряженной электронной π-системой, свойства которой зависят от локального окружения. Каротенопротеины – стехиометрические комплексы белка и каротиноидов, позволяют модифицировать структурированное окружение связанных пигментов, что приведет к изменению их спектральных свойств. В этой работе мы создали трехмерную карту влияния электрического заряда на смещение спектра поглощения кантоксантина. Основным методом исследования является вычислительная квантовая химия, в частности теория функционала матрицы плотности с временным разрешением (TDDFT). Этот подход уже был использован в рациональном дизайне пигментов на основании люмифлавина [1], но теперь применен для значительно более крупных объектов – C40-каротиноидов. Проекции полученных карт могут быть использованы для прогнозирования спектральных изменений новых мутантных форм каротенопротеинов, которые необходимы в рамках их рационального дизайна.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-74-00012 (https://rscf.ru/project/22-74-00012/).

1. Kabir M. P., Orozco-Gonzalez Y., Gozem S. Electronic spectra of flavin in different redox and protonation states: a computational perspective on the effect of the electrostatic environment //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2019. – Т. 21. – №. 30. – С. 16526-16537.

Carotenoids are one of the most common classes of biological pigments. The spectral properties of these molecules are determined by their conjugated π-system, the properties of which depend on the local environment. Carotenoproteins are stoichiometric complexes of protein and carotenoids, allow modifying the structured environment of bound pigments, which will lead to a change in their spectral properties. In this work, we have created a three-dimensional map of the effect of electric charge on the shift in the absorption spectrum of cantoxanthin. The main research method is computational quantum chemistry, in particular time-resolved density-matrix functional theory (TDDFT). This approach has already been used in the rational design of pigments based on lumiflavin [1], but has now been applied to much larger objects - C40-carotenoids. The projections of the obtained maps can be used to predict the spectral changes of new mutant forms of carotenoproteins, which are necessary within their rational design.

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

1. Kabir M. P., Orozco-Gonzalez Y., Gozem S. Electronic spectra of flavin in different redox and protonation states: a computational perspective on the effect of the electrostatic environment //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2019. – Т. 21. – №. 30. – С. 16526-16537.