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Electronic Energy Migration in Microtubules

微管 微管蛋白 生物物理学 发色团 化学 色氨酸 光化学 光激发 聚合 化学物理 氨基酸 激发态 生物化学 有机化学 物理 原子物理学 聚合物 生物 细胞生物学
作者
Aarat P. Kalra,Alfy Benny,Sophie M. Travis,Eric A. Zizzi,Austin Morales-Sanchez,Daniel G. Oblinsky,Travis J. A. Craddock,Stuart R. Hameroff,M Bruce MacIver,Jack A. Tuszyński,Sabine Petry,Roger Penrose,Gregory D. Scholes
出处
期刊:ACS central science [American Chemical Society]
卷期号:9 (3): 352-361 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acscentsci.2c01114
摘要

The repeating arrangement of tubulin dimers confers great mechanical strength to microtubules, which are used as scaffolds for intracellular macromolecular transport in cells and exploited in biohybrid devices. The crystalline order in a microtubule, with lattice constants short enough to allow energy transfer between amino acid chromophores, is similar to synthetic structures designed for light harvesting. After photoexcitation, can these amino acid chromophores transfer excitation energy along the microtubule like a natural or artificial light-harvesting system? Here, we use tryptophan autofluorescence lifetimes to probe energy hopping between aromatic residues in tubulin and microtubules. By studying how the quencher concentration alters tryptophan autofluorescence lifetimes, we demonstrate that electronic energy can diffuse over 6.6 nm in microtubules. We discover that while diffusion lengths are influenced by tubulin polymerization state (free tubulin versus tubulin in the microtubule lattice), they are not significantly altered by the average number of protofilaments (13 versus 14). We also demonstrate that the presence of the anesthetics etomidate and isoflurane reduce exciton diffusion. Energy transport as explained by conventional Förster theory (accommodating for interactions between tryptophan and tyrosine residues) does not sufficiently explain our observations. Our studies indicate that microtubules are, unexpectedly, effective light harvesters.

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