Ultrafast Tryptophans as Molecular Voltmeters in Retinal Proteins

1. Les Tryptophanes comme voltmètres ultrarapides dans les protéines de rétinal J. Léonard, S. Haacke, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, France E. Portuondo-Campa, A. Cannizzo, F. van Mourik, M. Chergui, Laboratoire de Spectroscopie Ultrarapide, EPFL, Lausanne, Switzerland J. Tittor, Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried, Germany G. Van der Zwan, Vrije Universiteit, Amsterdam,The Netherlands

2. Bacteriorhodopsine: Pompe à proton photo-activée de Halobacterium salinarum

3. Bacteriorhodopsine: Pompe à proton photo-activée de Halobacterium salinarum Chromophore = Protonated Schiff Base Retinal (PSBR)

4. d0 Photo-excitation du rétinal d+ d+

5. d1 Photo-excitation du rétinal d+ d+ Retinal:Dd = 10-30D Mathies & Stryer (1976) Huang & Lewis (1989) Groma et al. (2004) Colonna et al. (2007)

6. C13 Photo-excitation du rétinal 500 fs Rendement = 66 %

7. Les protéines de rétinal sont des enzymes:la protéine contrôle la vitesse d’isomerization et la forme isomérisée du photoproduit

8. Stockage d’énergie Tranferts successifs de protons Isomérisation Dd = 10-30D du rétinal Géométrie contrainte du rétinal; Energie mécanique Réponse (di)électrique de la protéine; Energie électrostatique Edman K, et al. Nature 1999 Warshel & colleagues, 1979, …, 2008. Schobert et al. J. Mol. Biol. 2002 (Lanyi) Mécanisme d’activation de la fonction biologique? hn D[H+] ? Luecke et al., Science 1999

9. Dd Photo-excitation du rétinal: Effet de l’environnement protéique Trp182 +e -e Trp86 Contre ions: Song et al. (1993) Heyne et al. (2000) Zinth et al. (2000) Kennis et al. (2002) Asp85 Tout le reste: Ac. aminés polaires ou non, réseau de liaisons hydrogènes, molécules d’eau, etc…

10. Sonder la réponse de l’environnement Trp182 Trp86

11. Probe Pump Manip pompe VIS / sonde UV sur la bR: S. Schenkl et al., Science 2005, PNAS 2006 Sonder la réponse de l’environnement Trp182 bR Trp86 Problème: à la fois Trp ET rétinal absorbent vers 270-280 nm

12. d Comparaison protéine naturelle / mutants: Trp182 W182F Trp86

13. d Comparaison protéine naturelle / mutants: Trp182 W182F W86F Trp86

14. Comparaison protéine naturelle / mutants: wt bR W182F W86F

15. Modélisation des interactions dipolaires Retinal-Trp86-Trp182 S. Schenkl et al., Science 2005 Interactions entre dipoles de transition: Couplage excitonique, Mélange d’états quantiques Interaction entre dipoles d’état: Stark shift, Pas de mélange

16. Structure de la bR Dma Dipoles d’état:

17. Retinal dipole Structure de la bR Dma Trp86 Dipoles d’état: Trp86 : Stark shift significatif de la bande d’abs. La

18. Structure de la bR Retinal dipole Trp182 Dipoles d’état: Trp86 : Stark shift significatif de la bande d’abs. La Trp182 : pas (ou tres peu) de couplage Stark

19. Retinal dipole Trp182 Modélisation des interactions dipolaires retinal-Trp86-Trp182 Dma Dmb Trp86

20. wt bR W182F W86F Modélisation des interactions dipolaires retinal-Trp86-Trp182 J. Léonard et al., PNAS 2009, sous presse.

21. Contribution du Trp86 @ 310 nm= wt bR – W86F J. Léonard et al., PNAS 2009, sous presse.

22. Décroissance = 500 fs = temps d’isomérisation Plateau >> 20 ps !!! = réponse durable (di)électrique de la protéine Montée instantanée (résolution temp = 90 fs) Champ électrique au voisinage de Trp86 310 ± 5 nm Trp comme sonde de changement FONCTIONEL de champs électriques J. Léonard et al., PNAS 2009, sous presse.

23. Conclusions • comparison quantitative des absorptions transitoires de bR et 2 mutants • (VIS-pump UV-probe) • Extraction de la contribution des Tryptophanes individuels: • Trp86 : Stark shift • Trp86 sonde efficace pour le dipole du rétinal et environnement diélectrique • Environnement électrostatique change durablement • => réponse (di)électrique ultrarapide de la protéine • => Trp comme sonde de changements fonctionnels de champs électriques au sein des protéines • = voltmètre ultrarapide local

24. Thank you S. Haacke, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, France, E. Portuondo-Campa, A. Cannizzo, F. Van Mourik, M. Chergui, Laboratoire de Spectroscopie Ultrarapide, EPFL, Lausanne, Switzerland, J. Tittor, Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried, Germany, G. van der Zwan, Vrije Universiteit, Amsterdam, Netherlands. € CNRS, Université de Strasbourg, EPFL, European Science Foundation (DYNA programme)

25. Réclame Peut-on reproduire une isomérisation si rapide et efficace avec un photoswitch en solution ? Indanylidene–Pyrroline M. Olivucci (Italie et USA) et collègues 400 fs :plus rapide que bR ! Cohérence vibrationelle conservée à travers IC