Excited states of fluorescent proteins, mKO and DsRed: Chromophore-protein electrostatic interaction behind the color variations

Journal of Physical Chemistry B

Volumn 114, Issue 8, 2010, Pages 2971-2979

  Hasegawa, Jun Ya ^a,b   Ise, Takehiko ^a   Fujimoto, Kazuhiro J ^a   Kikuchi, Akihiro ^c   Fukumura, Eiko ^c,d   Miyawaki, Atsushi ^e   Shiro, Yoshitsugu ^c  

^a KYOTO UNIVERSITY   (Japan)

^b Kyodai Katsura Venture Plaza   (Japan)

^c RIKEN SPring 8 Center Harima Institute ^*  (Japan)

^d OSAKA UNIVERSITY   (Japan)

^e RIKEN BRAIN SCIENCE INSTITUTE   (Japan)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AMINO ACIDS; ASTROPHYSICS; CHROMOPHORES; DOPPLER EFFECT; ELECTRONIC STRUCTURE; ELECTROSTATICS; FLUORESCENCE; ORGANIC ACIDS; QUANTUM THEORY;

BASIC MECHANISM; BLUE SHIFT; COLOR VARIATIONS; ELECTROSTATIC INTERACTIONS; ELECTROSTATIC POTENTIALS; EMISSION COLOR; EMISSION ENERGIES; FLUORESCENCE ENERGY; FLUORESCENT PROTEIN; GREEN FLUORESCENT PROTEIN; INTRAMOLECULAR CHARGE TRANSFERS; NEAR-INFRARED FLUORESCENCE; PROTEIN CAVITY; QUANTUM MECHANICAL; RED EMISSIONS; RED SHIFT;

PROTEINS;

EID: 77749305221     PISSN: 15206106     EISSN: 15205207     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp9099573     Document Type: Article

References (72)

1. Tsien, R. Y. Annu. Rev. Biochem. 1998, 67, 509-544.
2. Tsien, R. Y. FEBS Lett. 2005, 579, 927-932.
3. Shimomura, O.; Johnson, F. H.; Saiga, Y. J. Cell. Comp. Physiol. 1962, 59, 223.
4. Prasher, D. C.; Eckenrode, V. K.; Ward, W. W.; Prendergast, F. G.; Cormier, M. J. Gene 1992, 111, 229-233.
5. Chalfie, M.; Tu, Y.; Euskirchen, G.; Ward, W. W.; Prasher, D. C. Science 1994, 263, 802-805.
6. Inouye, S.; Tsuji, F. I. FEBS Lett. 1994, 341, 277-280.
7. Matz, M. V.; Fradokov, A. F.; Labas, Y. A.; Savitsky, A. P.; Zaraisky, A. G.; Markelow, M. L.; Lukyanov, S. A. Nat. Biotechnol. 1999, 17, 969-973.
8. Miyawaki, A. Cell Struct. Funct. 2002, 27, 343-347.
9. Weissleder, R. Nat. Biotechnol. 2001, 19, 316-317.
10. Wang, L.; Jackson, W. C.; Steinbach, P. A.; Tsien, R. Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 101, 16745-16749.
11. Heim, R.; Prasher, D. C.; Tsien, R. Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1994, 91, 12501-12504.
12. Heim, R.; Tsien, R. Y. Curr. Biol. 1996, 6, 178-182.
13. Ormö, M.; Cubitt, A. B.; Kallio, K.; Gross, L. A.; Tsien, R. Y.; Remington, S. J. Science 1996, 273, 1392-1395.
14. Karasawa, S.; Araki, T.; Nagai, T.; Mizuo, H.; Miyawaki, A. Biochem. J. 2004, 381, 307-312.
15. Kikuchi, A.; Fukumura, E.; Karasawa, S.; Mizuno, H.; Miyawaki, A.; Shiro, Y. Biochemistry 2008, 47, 11573-11580.
16. a) Martin, M. E.; Negri, F.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5452-5464.
17. b) Sinicropi, A.; Andruniow, T.; Ferre, N.; Basosi, R.; Olivucci, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11534-11535.
18. c) Marques, M. A. L.; Lopez, X.; Varsano, D.; Castro, R.; Rubio, A. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 258101.
19. d) Lopez, X.; Marques, M. A. L.; Castro, R.; Rubio, A. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12329-12337.
20. e) Olsen, S.; Prescott, M.; Wilmann, P.; Battad, J.; Rossjohn, J.; Smith, S. C. Chem. Phys. Lett. 2006, 420, 507-511.
21. f) Olsen, S.; Smith, S. C. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2054-2065.
22. g) Laino, T.; Nifosi, R.; Tozzini, V. Chem. Phys. 2004, 298, 17-28.
23. h) Voityuk, A. A.; Michel-Beyerle, M.-E.; Rosch, N. Chem. Phys. Lett. 1998, 296, 269.
24. i) Voityuk, A. A.; Michel-Beyerle, M.-E.; Rosch, N. Chem. Phys. 1998, 231, 13-25.
25. j) Voityuk, A. A.; Kummer, A. D.; Michel-Beyerle, M.-E.; Rosch, N. Chem. Phys. 2001, 269, 83-91.
26. k) Weber, W.; Helms, V.; McCammon, J. A.; Langhoff, P. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1999, 96, 6177.
27. l) Helms, V.; Winstead, C.; Langhoff, P. W. J. Mol. Struct.: THEOCHEM 2000, 506, 179.
28. Das, A. K.; Hasegawa, J.; Miyahara, T.; Ehara, M.; Nakatsuji, H. J. Comput. Chem. 2003, 24, 1421-1431.
29. Hasegawa, J.; Fujimoto, K.; Swerts, B.; Miyahara, T.; Nakatsuji, H. J. Comput. Chem. 2007, 28, 2443-2452.
30. Nifos, R.; Amat, P.; Tozzini, V. J. Comput. Chem. 2007, 28, 2366-2377.
31. Mochizuki, Y.; Nakano, T.; Amari, S.; Ishikawa, T.; Tanaka, K.; Sakurai, M.; Tanaka, S. Chem. Phys. Lett. 2007, 433, 360-367.
32. Taguchi, N.; Mochizuki, Y.; Nakano, T.; Amari, S.; Fukuzawa, K.; Ishikawa, T.; Sakurai, M.; Tanaka, S. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 1153-1161.
33. Nakatsuji, H. Chem. Phys. Lett. 1978, 59, 362.
34. Nakatsuji, H. Chem. Phys. Lett. 1979, 67, 329.
35. Nakatsuji, H. Chem. Phys. Lett. 1979, 67, 334.
36. Gross, L. A.; Baird, G. S.; Hoffman, R. C.; Baldridge, K. K.; Tsien, R. Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2000, 97, 11990-11995.
37. Wall, M. A.; Socolich, M.; Ranganathan, R. Nat. Struct. Biol. 2000, 7, 1133-1138.
38. Wan, S.; Liu, S.; Zhao, G.; Chen, M.; Han, K.; Sun, M. Biophys. Chem. 2007, 129, 218-223.
39. Kitaura, K.; Sawai, T.; Asada, T.; Nakano, T.; Uebayashi, M. Chem. Phys. Lett. 1999, 312, 319-324.
40. Kitaura, K.; Ikeo, E.; Asada, T.; Nakano, T.; Uebayashi, M. Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 701-706.
41. Nakatsuji, H. SAC-CI method: Theoretical Aspects and Some Recent Topics. In Computational Chemistry - Reviews of Current Trends; Leszczynski, J., Ed.; World Scientific: Singapore, 1997; Vol.2, pp 62-124.
42. Warshel, A.; Levitt, M. J. Mol. Biol. 1976, 103, 227-249.
43. a) Fujimoto, K.; Hasegawa, J.; Nakatsuji, H. Chem. Phys. Lett. 2008, 462, 318-320.
44. b) Fujimoto, K.; Hasegawa, J.; Nakatsuji, H. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2009, 82, 1140-1148.
45. a) Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
46. b) Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
47. Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R.; Merz, K. M.; Ferguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 5179-5197.
48. a) Hehre, W. J.; Ditchfield, R.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1972, 56, 2257.
49. b) Francl, M. M.; Petro, W. J.; Hehre, W. J.; Binkley, J. S.; Gordon, M. S.; DeFrees, D. J.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1982, 77, 3654.
50. Nakatani, N.; Hasegawa, J.; Nakatsuji, H. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8756-8765.
51. Tsuji, T.; Onoda, M.; Otani, Y.; Ohwada, T.; Nakajima, T.; Hirao, K. Chem. Phys. Lett. 2009, 473, 196-200.
52. Ferré, N.; Cembran, A.; Garavelli, M.; Olivucci, M. Theor. Chem. Acc. 2004, 112, 335-341.
53. Yang, F.; Moss, L. G.; Phillips, G. N. Nat. Biotechnol. 1996, 14, 1246-1251.
54. Nakatsuji, H.; Hirao, K. J. Chem. Phys. 1978, 68, 2053.
55. a) Hasegawa, J.; Nakatsuji, H. Exploring Photo-Biology and Bio-Spectroscopy with the SAC-CI (Symmetry-Adapted Cluster-Configuration Interaction) Method. In Radiation Induced Molecular Phenomena in Nucleic Acid: A ComprehensiVe Theoretical and Experimental Analysis; Shukla, M., Leszczynski, J., Eds.; Springer: New York, 2008; pp 93-124;
56. b) Ehara, M.; Hasegawa, J.; Nakatsuji, H. SAC-CI Method Applied to Molecular Spectroscopy. In Theory and Applications of Computational Chemistry: The First 40 Years, A Volume of Technical and Historical PerspectiVes; Dykstra, C. E., Frenking, G., Kim, K. S., Scuseria, G. E., Eds.; Elsevier: Oxford, U.K., 2005; pp 10991141.
57. a) Nakatsuji, H. Chem. Phys. 1983, 75, 425.
58. b) Nakatsuji, H.; Hasegawa, J.; Hada, M. J. Chem. Phys. 1996, 104, 2321-2329.
59. Frisch, M. J.; et al. Gaussian DeVelopment Version, revision E.01; Gaussian, Inc.: Pittsburgh PA, 2003.
60. Boyé, S.; Nielsen, S. B.; Krogh, H.; Nielsen, I. B.; Pedersen, U. V.; Bell, A. F.; He, X.; Tonge, P. J.; Andersen, L. H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2003, 5, 3021-3026.
61. Head-Gordon, M.; Rico, R. J.; Oumi, M.; Lee, T. J. Chem. Phys. Lett. 1994, 219, 21-29.
62. Mochizuki, Y.; Tanaka, K. Chem. Phys. Lett. 2007, 443, 389-397.
63. Boyé, S.; Krogh, H.; Nielsen, I. B.; Nielsen, S. B.; Nielsen, S. U.; Pedersen, S. U.; Pedersen, U. V.; Andersen, L. H. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 118103.
64. Chattoraj, M.; King, B. A.; Bublitz, G. U.; Boxer, S. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 8362-8367.
65. Brejc, K.; Sixma, T. K.; Kitts, P. A.; Kain, S. R.; Tsien, R. Y.; Ormoe, M.; Remington, S. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997, 94, 2306-2311.
66. a) Morokuma, K. J. Chem. Phys. 1971, 35, 1236-1244.
67. b) Kitaura, K.; Morokuma, K. Int. J. Quantum Chem. 1976, 10, 325.
68. Wanko, M.; Hoffman, M.; Frauenheim, T.; Elstner, M. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 11462-11467.
69. a) Maseras, F.; Morokuma, K. J. Comput. Chem. 1995, 16, 1170.
70. b) Svensson, M.; Humbel, S.; Froese, R. D. J.; Matsubara, T.; Sieber, S.; Morokuma, K. J. Phys. Chem. 1996, 100, 19357.
71. a) Coto, P. B.; Strambi, A.; Ferré, N.; Olivucci, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 17154-17159.
72. b) Fujimoto, K.; Hayashi, S.; Hasegawa, J.; Nakatsuji, H. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 605-618.