La maggior parte dei metodi per la caratterizzazione strutturale delle biomolecole, come la cristallografia a raggi X o la microscopia elettronica, richiedono campioni statici o cristallizzati. Attaccare molecole fluorescenti alle superfici proteiche, però, consente l'imaging diretto delle interazioni biomolecolari dinamiche utilizzando la luce, che potrebbe essere migliorato, dicono i ricercatori A*STAR, con modelli predittivi della durata della fluorescenza.

La fluorescenza normalmente coinvolge singole molecole che assorbono spontaneamente la luce per poi riemetterla con un colore diverso. Ma nelle giuste condizioni, un fotone assorbito può saltare da una molecola donatrice a un composto accettore vicino, anch'esso fluorescente. I ricercatori hanno recentemente sfruttato la forte dipendenza dalla distanza di questo effetto per produrre "righelli spettroscopici" che misurano le dinamiche su scala nanometrica tra le sonde donatore e accettore attaccate a diverse parti di uno scheletro proteico.

Una sfida chiave è realizzare righelli spettroscopici con una precisione accettabile. I fluorofori convenzionali hanno grandi, strutture flessibili che premono contro le proteine ​​in più modi, rendendo difficile misurare la lunghezza del righello. Quindi, per cercare alternative, Tsz Sian Chwee e collaboratori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno studiato se potevano calcolare la fluorescenza di molecole rigide e piccole note come syn-bimanes, e quindi utilizzare tali teorie per la progettazione della sonda.

Approcci tipici della chimica quantistica, però, hanno problemi di calcolo delle proprietà quando una molecola assorbe un fotone ed entra in uno stato eccitato. Chwee e il suo team speravano di superare queste imprecisioni utilizzando la teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo che tratta il problema degli elettroni eccitati con un algoritmo di "scambio-correlazione" derivato in parte da esperimenti.

"La teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo è utilizzata dalla comunità scientifica per studiare fenomeni come l'assorbimento e l'emissione, ma il pieno potenziale di questo approccio non è stato ancora sfruttato, "dice Chwee.

Utilizzando la durata della fluorescenza come parametro di prova, i ricercatori hanno confrontato il modo in cui diverse teorie di scambio-correlazione simulavano sin-bimane in modo realistico, situazioni piene di solventi. Questi studi hanno rivelato che i modelli che incorporano le interazioni vibroniche, l'accoppiamento sincronizzato delle vibrazioni molecolari con le eccitazioni elettroniche, fornivano le previsioni più accurate della vita della fluorescenza. Hanno scoperto diverse funzioni di correlazione di scambio in grado di gestire queste equazioni a un costo computazionale minimo.

"Gli aspetti vibrazionali sono stati ampiamente trascurati, anche se giocano ruoli decisivi nella fotofisica delle molecole fluorescenti, " nota Chwee. "Mentre eseguivamo i nostri calcoli su supercomputer, le risorse computazionali sono abbastanza modeste da poter essere completate su una moderna workstation in un paio di settimane."

Chwee anticipa che l'analisi rapida che utilizza le teorie del funzionale della densità potrebbe essere migliore per individuare rari candidati a sonde fluorescenti con forti proprietà di assorbimento ed emissione sintonizzabili.