Photodynamics in complex environments: Ab initio multiple spawning quantum mechanical/molecular mechanical dynamics

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 113, Issue 11, 2009, Pages 3280-3291

  Virshup, Aaron M ^a,b   Punwong, Chutintorn ^a,c   Pogorelov, Taras V ^a,b   Lindquist, Beth A ^a,b   Ko, Chaehyuk ^a,b   Martínez, Todd J ^a,b,c  

^a UNIVERSITY OF ILLINOIS AT URBANA CHAMPAIGN   (United States)

^b Department of Physics ^*

^c Center for Biophysics and Computational Biology   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CHROMOPHORES; ELECTRONIC STATES; EXCITED STATES; METHANOL; MOLECULAR MECHANICS; POTENTIAL ENERGY; POTENTIAL ENERGY SURFACES; QUANTUM CHEMISTRY; QUANTUM THEORY; QUENCHING; SOLVATION;

AB-INITIO; AQUEOUS SOLVATIONS; BIOLOGICAL CHROMOPHORES; COMPLEX ENVIRONMENTS; CONICAL INTERSECTIONS; ENVIRONMENTAL EFFECTS; EXCITED-STATE DYNAMICS; GREEN FLUORESCENT PROTEINS; MULTI STATE; PHOTOACTIVE YELLOW PROTEINS; POPULATION TRANSFERS; PROTONATED SCHIFF BASE; QUANTUM DYNAMICS; QUANTUM MECHANICAL/MOLECULAR MECHANICALS; QUENCHING PROCESS; REACTION SELECTIVITIES; SEMI-EMPIRICAL; ULTRA FASTS;

VIBRATIONS (MECHANICAL);

EID: 65249085122     PISSN: 15206106     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp8073464     Document Type: Article

References (125)

1. Zewail, A. H. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 5660.
2. Yarkony, D. R. Rev. Mod. Phys. 1996, 68, 985.
3. Yarkony, D. R. Acc. Chem. Res. 1998, 31, 511.
4. Bernardi, F.; Olivucci, M.; Robb, M. A. Chem. Soc. Rev. 1996, 25, 321.
5. Klessinger, M.; Michl, J. Excited States and Photochemistry of Organic Molecules; VCH Publishers, Inc.: New York, 1995.
6. Matsika, S.; Yarkony, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 10672.
7. Matsika, S.; Yarkony, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 12428.
8. Matsika, S. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 7538.
9. Coe, J. D.; Martinez, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 4560.
10. Coe, J. D.; Martinez, T. J. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 618.
11. Martinez, T. J. Chem. Phys. Lett. 1997, 272, 139.
12. Manaa, M. R.; Yarkony, D. R. J. Chem. Phys. 1993, 99, 5251.
13. Bearpark, M. J.; Robb, M. A.; Schlegel, H. B. Chem. Phys. Lett. 1994, 223, 269.
14. Sicilia, F.; Blancafort, L.; Bearpark, M. J.; Robb, M. A. J. Chem. Theory Comput. 2008, 4, 257.
15. Sicilia, F.; Bearpark, M. J.; Blancafort, L.; Robb, M. A. Theor. Chem. Acc. 2007, 118, 241.
16. Migani, A.; Robb, M. A.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 2804.
17. Laino, T.; Passerone, D. Chem. Phys. Lett. 2004, 389, 1.
18. Tapavicza, E.; Tavernelli, I.; Rothlisberger, U. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 023001.
19. Ben-Nun, M.; Quenneville, J.; MartI'nez, T. J. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 5161.
20. Martinez, T. J. Acc. Chem. Res. 2006, 39, 119.
21. Frutos, L. M.; Andruniow, T.; Santoro, F.; Ferre, N.; Olivucci, M. Proc. Natl. Acad. Sci. 2007, 104, 7764.
22. Weingart, O.; Schapiro, I.; Buss, V. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 3782.
23. Levine, B. G.; Martinez, T. J. Annu. Rev. Phys. Chem. 2007, 58, 613.
24. Kim, M. H.; Shen, L.; Tao, H.; Martinez, T. J.; Suits, A. G. Science 2007, 315, 1561.
25. Barbatti, M.; Ruckenbauer, M.; Szymczak, J. J.; Aquino, A. J. A.; Lischka, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 482.
26. van der Horst, M. A.; Hellingwerf, K. J. Acc. Chem. Res. 2004, 37, 13.
27. Balzani, V.; Clemente-Leon, M.; Credi, A.; Ferrer, B.; Venturi, M.; Flood, A. H.; Stoddart, J. F. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 1178.
28. Morin, J.; Shirai, Y.; Tour, J. M. Org. Lett. 2006, 8, 1713.
29. Fortin, D. L.; Banghart, M. R.; Dunn, T. W.; Borges, K.; Wagenaar, D. A.; Gaudry, Q.; Karokossian, M. H.; Otis, T. S.; Kristan, W. B.; Trauner, D.; Kramer, R. H. Nat. Methods 2008, 5, 331.
30. Toniolo, A.; Olsen, S.; Manohar, L.; Martinez, T. J. Faraday Discuss. 2004, 127, 149.
31. Burghardt, I.; Cederbaum, L. S.; Hynes, J. T. Faraday Discuss. 2004, 127, 395.
32. Schaefer, L. V.; Groenhof, G.; Boggio-Pasqua, M.; Robb, M. A.; Grubmueller, H. PLoS Comput. Biol. 2008, 4, e10000034.
33. Toniolo, A.; Granucci, G.; Martinez, T. J. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 3822.
34. Hayashi, S.; Tajkorshid, E.; Schulten, K. Biophys. J. 2003, 85, 1440.
35. Losa, A. M.; Martin, M. E.; Galvan, J. F.; Aguilar, M. A. Chem. Phys. Lett. 2007, 443, 76.
36. Yamazaki, S.; Kato, S. J. Chem. Phys. 2005, 123, 114510.
37. Burghardt, I.; Hynes, J. T. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 11411.
38. Ben-Nun, M.; MartI'nez, T. J. Adv. Chem. Phys. 2002, 121, 439.
39. Heller, E. J. J. Chem. Phys. 1981, 75, 2923.
40. Werner, H.-J.; Knowles, P. J.; Lindh, R.; Schuetz, M.; Celani, P.; Korona, T.; Manby, F. R.; Rauhut, G.; Amos, R. D.; Bernhardsson, A.; Berning, A.; Cooper, D. L.; Deegan, M. J. O.; Dobbyn, A. J.; Eckert, F.; Hampel, C.; Hetzer, G.; Lloyd, A. W.; McNicholas, S. J.; Meyer, W.; Mura, M. E.; Nicklass, A.; Palmieri, P.; Pitzer, R.; Schumann, U.; Stoll, H.; Stone, A. J.; Tarroni, R.; Thorsteinsson, T. MOLPRO, version 2006.1, a package of ab initio programs, 2006.
41. Stewart, J. J. P. MOPAC 2002; Fujitsu Limited: Tokyo, Japan, 1999.
42. Levine, B. G.; Coe, J. D.; Virshup, A. M.; MartI'nez, T. J. Chem. Phys. 2008, 347, 3.
43. Warshel, A.; Levitt, M. J. Mol. Biol. 1976, 103, 227.
44. Field, M.; Bash, P.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1990, 11, 700.
45. Gao, J. L. Acc. Chem. Res. 1996, 29, 298.
46. Friesner, R. A.; Guallar, V. Annu. Rev. Phys. Chem. 2005, 56, 389.
47. Singh, U. C.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1986, 7, 718.
48. Toniolo, A.; Ciminelli, C.; Granucci, G.; Laino, T.; Persico, M. Theor. Chim. Acta 2004, 111, 270.
49. Antes, I.; Thiel, W. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 9290.
50. SlavI'ček, P.; MartI'nez, T. J. J. Chem. Phys. 2006, 124, 084107.
51. Cornell, W.; Cieplak, P.; Bayly, C.; Gould, I.; Merz, J. K.; Ferguson, D.; Spellmeyer, D.; Fox, T.; Caldwell, J.; Kollman, P. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5179.
52. Weiner, S. J.; Kollman, P. A.; Case, D. A.; Singh, U. C.; Ghioand, C.; Alagona, G., Jr.; Weiner, P. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 765.
53. Cheatham, T. E., III; Cieplak, P.; Kollman, P. A. J. Biomol. Struct. Dyn. 1999, 16, 845.
54. Jorgensen, W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R. W.; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926.
55. Jorgensen, W. L.; Maxwell, D. S.; Tirado-Rives, J. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11225.
56. Olsen, S.; Toniolo, A.; Ko, C.; Manohar, L.; Lamothe, K.; Martinez, T. J. Computation of Reaction Mechanisms and Dynamics in Photobiology. In Computational Photochemistry; Olivucci, M., Ed.; Elsevier: Amsterdam, 2005.
57. Tully, J. C. J. Chem. Phys. 1990, 93, 1061.
58. Levine, B. G.; Ko, C.; Quenneville, J.; MartI'nez, T. J. Mol. Phys. 2006, 104, 1039.
59. Cordova, F.; Doriol, J.; Ipatov, A.; Casida, M. E.; Fillippi, C.; Vela, A. J. Chem. Phys. 2007, 127, 164111.
60. Docken, K. K.; Hinze, J. J. Chem. Phys. 1972, 57, 4928.
61. Roos, B. O. Adv. Chem. Phys. 1987, 69, 399.
62. Finley, J.; Malmqvist, P.-A.; Roos, B. O.; Serrano-Andres, L. Chem. Phys. Lett. 1998, 288, 299.
63. Roos, B. O. Acc. Chem. Res. 1999, 32, 137.
64. Quenneville, J.; Ben-Nun, M.; Martinez, T. J. J. Photochem. Photobiol., A 2001, 144, 229.
65. Ben-Nun, M.; Martinez, T. J. Chem. Phys. Lett. 1998, 290, 289.
66. Granucci, G.; Toniolo, A. Chem. Phys. Lett. 2000, 325, 79.
67. Toniolo, A.; Ben-Nun, M.; MartI'nez, T. J. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 4679.
68. Potts, D. M.; Taylor, C. M.; Chaudhuri, R. K.; Freed, K. F. J. Chem. Phys. 2001, 114, 2592.
69. Harding, L. B.; Goddard, W. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 677.
70. Toniolo, A.; Levine, B.; Thompson, A.; Quenneville, J.; Ben- Nun, M.; Owens, J.; Olsen, S.; Manohar, L.; Martinez, T. J. Photochemistry from First Principles and Direct Dynamics. In Computational Methods in Organic Photochemistry; Kutateladze, A., Ed.; Marcel-Dekker: New York, 2005.
71. Toniolo, A.; Thompson, A. L.; MartI'nez, T. J. Chem. Phys. 2004, 304, 133.
72. Owens, J. M.; Punwong, C.; MartI'nez, T. J. A Re-Optimized PM3- Based Parameter Set for Retinal Protonated Schiff Base, in preparation.
73. Frenkel, D.; Smit, B. Understanding molecular dynamics: from algorithms to applications; Academic Press: San Diego, CA, 1995.
74. Torrie, G. M.; Valleau, J. P. Chem. Phys. Lett. 1974, 28, 578.
75. Torrie, G. M.; Valleau, J. P. J. Comput. Phys. 1977, 23, 187.
76. Ferrenberg, A. M.; Swendsen, R. H. Phys. Rev. Lett. 1988, 61, 2635.
77. Ferrenberg, A. M.; Swendsen, R. H. Phys. Rev. Lett. 1989, 63, 1195.
78. Kumar, S.; Bouzida, D.; Swendsen, R. H.; Kollman, P. A.; Rosenberg, J. M. J. Comput. Chem. 1992, 13, 1011.
79. Kumar, S.; Rosenberg, J. M.; Bouzida, D.; Swendsen, R. H.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1339.
80. Roux, B. Comput. Phys. Commun. 1995, 91, 275.
81. Grossfield, A. WHAM, version 2.0.2; 2007.
82. Schinke, R. Photodissociation Dynamics; Cambridge University Press: Cambridge, U.K., 1995.
83. Zimmer, M. Chem. Rev. 2002, 102, 759.
84. Tsien, R. Y. Annu. Rev. Biochem. 1998, 67, 509.
85. Niwa, H.; Inouye, S.; Hirano, T.; Matsuno, T.; Kojima, S.; Kubota, M.; Ohashi, M.; Tsuji, F. I. Proc. Natl. Acad. Sci. 1996, 93, 13617.
86. Toniolo, A.; Olsen, S.; Manohar, L.; Martinez, T. J. Ultrafast Excited State Dynamics in Green Fluorescent Protein Chromophore. In Ultrafast Molecular Events in Chemistry and Biology: Femtochemistry VI; Martin, M., Hynes, J. T., Eds.; Elsevier: Amsterdam, 2004.
87. Olsen, S. C. The Electronic Excited States of Green Fluorescent Protein Chromophore Models, University of Illinois at Urbana-Champaign, PhD Thesis, 2004.
88. Usman, A.; Mohammed, O. F.; Nibbering, E. T. J.; Dong, J.; Solntsev, K. M.; Tolbert, L. M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11214.
89. Lammich, L. M.; Petersen, M. Å.; Nielsen, M. B.; Anderson, L. H. Biophys. J. 2007, 92, 201.
90. Dong, J.; Solnstev, K. M.; Tolbert, L. M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 12038.
91. Hellingwerf, K. J. Antonie Van Leeuwenhoek 2002, 81, 51.
92. Kort, R.; Vonk, H.; Xu, X.; Hoff, W. D.; Crielaard, W.; Hellingwerf, K. J. FEBS Lett. 1996, 382, 73.
93. Hellingwerf, K. J.; Hendriks, J.; Gensch, T. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 1082.
94. Groenhof, G.; Schafer, L. V.; Boggio-Pasqua, M.; Grubmuller, H.; Robb, M. A. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3250.
95. Ko, C.; Virshup, A. M.; Martinez, T. J. Chem. Phys. Lett. 2008, 460, 272.
96. Gromov, E. V.; Burghardt, I.; Hynes, J. T.; Koppel, H.; Cederbaum, L. S. J. Photochem. Photobiol., A 2007, 190, 241.
97. Kim, M.; Hoff, W. D.; Mathies, R. A.; Hellingwerf, K. J. Biochemistry 1995, 34, 12669.
98. Lee, I.-R.; Lee, W.; Zewail, A. H. Proc. Natl. Acad. Sci. 2006, 103, 258.
99. Ryan, W. L.; Gordon, D. J.; Levy, D. H. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6194.
100. Espagne, A.; Changenet-Barret, P.; Plaza, P.; Martin, M. M. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 3393.
101. Changenet-Barret, P.; Plaza, P.; Martin, M. M. Chem. Phys. Lett. 2001, 336, 439.
102. Changenet-Barret, P.; Espagne, A.; Katsonis, N.; Charier, S.; Baudin, J.-B.; Jullien, L.; Plaza, P.; Martin, M. M. Chem. Phys. Lett. 2002, 365, 285.
103. Larsen, D. S.; Vengris, M.; van Stokkum, I. H. M.; van der Horst, M. A.; Cordfunke, R. A.; Hellingwerf, K. J.; van Grondelle, R. Chem. Phys. Lett. 2003, 369, 563.
104. Larsen, D. S.; Vengris, M.; van Stokkum, I. H. M.; van der Horst, M. A.; de Weerd, F. L.; Hellingwerf, K. J.; van Grondelle, R. Biophys. J. 2004, 86, 2358.
105. El-Gezawy, H.; Rettig, W.; Danel, A.; Jonusauskas, G. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 18699.
106. Espagne, A.; Changenet-Barret, P.; Baudin, J.-B.; Plaza, P.; Martin, M. M. J. Photochem. Photobiol., A 2007, 185, 245.
107. Espagne, A.; Paik, D. H.; Pascale, C.-B.; Martin, M. M.; Zewail, A. H. ChemPhysChem 2006, 7, 1717.
108. Molina, V.; Merchan, M. Proc. Natl. Acad. Sci. 2001, 98, 4299.
109. Gromov, E. V.; Burghardt, I.; Koppel, H.; Cederbaum, L. S. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 4623.
110. Sergi, A.; Gruning, M.; Ferrario, M.; Buda, F. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4386.
111. Ko, C.; Levine, B.; Toniolo, A.; Manohar, L.; Olsen, S.; Werner, H.-J.; Martinez, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 12710.
112. Li, Q.-S.; Fang, W.-H. Chem. Phys. 2005, 313, 71.
113. Yamada, A.; Yamamoto, S.; Yamato, T.; Kakitani, T. THEOCHEM 2001, 536, 195.
114. Getzoff, E. D.; Gutwin, K. N.; Genick, U. K. Nat. Struct. Biol. 2003, 10, 663.
115. Schoenlein, R. W.; Peteanu, L. A.; Mathies, R. A.; Shank, C. V. Science 1991, 254, 412.
116. Ferre, N.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6868.
117. Yan, E. C. Y.; Kazmi, M. A.; Ganim, Z.; Hou, J. M.; Pan, D. H.; Chang, B. S. W.; Sakmar, T. P.; Mathies, R. A. Proc. Natl. Acad. Sci. 2003, 100, 9262.
118. Yan, E. C. Y.; Kazmi, M. A.; De, S.; Chang, B. S. W.; Seibert, C.; Marin, E. P.; Mathies, R. A.; Sakmar, T. P. Biochemistry 2002, 41, 3620.
119. Bravaya, K.; Bochenkova, A.; Granovsky, A.; Nemukhin, A. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13035.
120. Schreiber, M.; Buss, V.; Sugihara, M. J. Chem. Phys. 2003, 119, 12045.
121. Okada, T.; Sugihara, M.; Bondar, A.; Elstner, M.; Entel, P.; Buss, V. J. Mol. Biol. 2004, 342, 571.
122. Freedman, K.; Becker, R. S. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 1245.
123. Nielsen, I. B.; Lammich, L.; Anderson, L. H. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 018304.
124. Shichida, Y.; Matuoka, S.; Yoshizawa, T. Photobiochem. Photobiophys. 1984, 7, 221.
125. Ben-Nun, M.; Martinez, T. J. Chem. Phys. Lett. 1998, 290, 289.