De flesta metoder för strukturell karakterisering av biomolekyler, såsom röntgenkristallografi eller elektronmikroskopi, kräver statiska eller kristalliserade prover. Att fästa fluorescerande molekyler på proteinytor, dock, möjliggör direkt avbildning av dynamiska biomolekylära interaktioner med hjälp av ljus, som kan förbättras, säger A*STAR-forskare, med prediktiv modellering av fluorescenslivslängder.

Fluorescens involverar normalt enstaka molekyler som spontant absorberar ljus och sedan återutsänder det som en annan färg. Men under rätt förutsättningar, en absorberad foton kan hoppa från en donatormolekyl till en närliggande acceptorförening som också fluorescerar. Forskare har nyligen utnyttjat det starka avståndsberoendet av denna effekt för att producera "spektroskopiska linjaler" som mäter dynamiken i nanoskala mellan donator- och acceptorsonder fästa vid olika delar av en proteinryggrad.

En viktig utmaning är att göra spektroskopiska linjaler med acceptabel noggrannhet. Konventionella fluoroforer har stora, flexibla strukturer som pressar mot proteiner på flera sätt, vilket gör det svårt att mäta linjalens längd. Så för att söka alternativ, Tsz Sian Chwee och medarbetare från A*STAR Institute of High Performance Computing undersökte om de kunde beräkna fluorescensen hos stela och små molekyler som kallas syn-bimaner, och sedan använda sådana teorier för sonddesign.

Typiska kvantkemimetoder, dock, har problem med att beräkna egenskaper när en molekyl absorberar en foton och går in i ett exciterat tillstånd. Chwee och hans team hoppades kunna övervinna dessa felaktigheter med hjälp av tidsberoende densitetsfunktionsteori som behandlar problemet med exciterade elektroner med en "utbytes-korrelation"-algoritm som delvis härrör från experiment.

"Tidsberoende densitetsteori används av det vetenskapliga samfundet för att studera fenomen som absorption och utsläpp, men den fulla potentialen i detta tillvägagångssätt har inte utnyttjats ännu, " säger Chwee.

Använda fluorescenslivslängder som en testparameter, forskarna jämförde hur olika utbytes-korrelationsteorier simulerade syn-bimaner i realistiska, lösningsmedelsfyllda situationer. Dessa försök avslöjade att modeller som innehåller vibroniska interaktioner - den synkroniserade kopplingen av molekylära vibrationer till elektroniska excitationer - gav de mest exakta förutsägelserna av fluorescerande livslängder. De upptäckte flera utbytes-korrelationsfunktioner som kan hantera dessa ekvationer till minimal beräkningskostnad.

"Vibroniska aspekter har till stor del förbisetts, även om de spelar en avgörande roll i fotofysiken hos fluorescerande molekyler, " noterar Chwee. "Medan vi utförde våra beräkningar på superdatorer, beräkningsresurserna är blygsamma nog att de kunde ha färdigställts på en modern arbetsstation inom ett par veckor."

Chwee förutser att snabb analys med densitetsfunktionella teorier kan vara bättre på att upptäcka sällsynta fluorescerande sondkandidater med stark absorption och avstämbara emissionsegenskaper.