绿色荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）是一种在当今生命科学和医学研究中被广泛使用的示踪物，三位科学家也因对GFP的发现和研究分享2008年的诺贝尔化学奖。而与GFP极高的荧光量子产率相比，其核心发色团（p-HBDI）在溶液中的荧光量子产率极低，因此对GFP发色团及相关类似物的发光机理的研究也获得了广泛的关注（图 1）。最近，实验上通过化学修饰新合成了邻羟基绿色荧光蛋白发色团(o-LHBDI)，具有显著的荧光发光效应，然而其荧光增强的机理并不清楚。

图1：绿色荧光蛋白核心发色团及其类似物结构。

BETVLCTOR伟德国际官网平台崔刚龙、方维海研究组和德国马普所Thiel教授合作，采用高精度的静态电子结构计算(MS-CASPT2, CASSCF)结合半经验非绝热动力学模拟(OM2/MRCI)详细探究了o-LHBDI的光化学与光物理过程，并与另外两种广泛研究的GFP发色团的光化学与光物理过程进行了比较（图 2）。计算结果表明，光诱导的激发态质子转移及化学修饰对GFP发色团的荧光强度具有重要的影响。在激发态质子转移前后，分别存在醇式和酮式结构的圆锥交叉点，对于不涉及激发态质子转移的体系，如p-LHBDI, 分子到达激发态后，可通过醇式结构的圆锥交叉点完成超快的激发态失活，导致荧光猝灭；对于有激发态质子转移而未进行化学修饰的体系，如o-HBDI，分子在激发态上可通过超快的激发态质子转移，生成酮式结构后，通过酮式结构的圆锥交叉点完成超快的激发态失活，导致荧光猝灭； 而对于同时拥有激发态质子转移并经过化学修饰的结构o-LHBDI，在激发至激发态后，首先将通过一个超快的激发态质子转移过程完成由醇式结构到酮式结构的转换，之后，由于化学修饰作用，激发态分子难以由酮式结构的圆锥交叉点完成超快的激发态失活，导致体系的荧光效应显著增强。光诱导的激发态质子转移及化学修饰两者的协同作用导致了GFP发色团迥异的激发态动力学行为。本研究为设计更好的荧光蛋白发色团提供了理论依据。

相关成果发表于《Journal of Chemical Theory and Computation》: (Excited-State Proton-Transfer-Induced Trapping Enhances the Fluorescence Emission of a Locked GFP Chromophore, Xiang-Yang Liu, Xue-Ping Chang, Shu-Hua Xia, Ganglong Cui,* and Walter Thiel*, J. Chem. Theory Comput. DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00894)。该工作得到基金委优秀青年基金和重点国际合作项目基金资助。

图2：三种不同的绿色荧光蛋白发色团光物理与光化学的机理比较。