偶极取向动力学导致的 Förster 半径时间异质性对单分子 FRET 实验的影响

Förster 共振能量转移 (FRET) 是一种量子力学现象，涉及耦合电偶极子之间的非辐射能量转移。由于 FRET 对偶极子间距离具有强依赖性，它常被用作生物学、化学和物理学中的“分子标尺”。这是通过在目标分子上放置被称为染料的偶极分子来实现的。在时间分辨共焦单分子 FRET (smFRET) 实验中，FRET 效率与供体荧光寿命的联合分布可以通过其相对于理论 Förster 关系的偏离来揭示潜在的分子构象动力学。这种偏离被称为动态位移。量化由荧光染料运动引起的动态位移，对于解耦被研究分子与染料的动力学至关重要。我们基于第一性原理物理与合理的染料连接子化学，开发了用于染料连接子动力学（包括旋转动力学）的新型 Langevin 模型，以匹配分子动力学模拟预测的可及体积。通过模拟染料的随机平动和旋转动力学，我们表明观察到的动态位移主要归因于与染料相关的电偶极矩的相互取向动力学，而非其可及体积。我们的模型提供了目前最准确且最新的 FRET 估计。