Green fluorescent protein (GFP) has enabled a myriad of bioimaging advances due to its photophysical and photochemical properties. To deepen the mechanistic understanding of such light-induced processes, novel derivatives of GFP chromophore p-HBDI were engineered by fluorination or bromination of the phenolic moiety into superphotoacids, which efficiently undergo excited-state proton transfer (ESPT) in aqueous solution within the short lifetime of the excited state, as opposed to p-HBDI where efficient ESPT is not observed. In addition, we tuned the excited-state lifetime from picoseconds to nanoseconds by conformational locking of the p-HBDI backbone, essentially transforming the nonfluorescent chromophores into highly fluorescent ones. The unlocked superphotoacids undergo a barrierless ESPT without much solvent activity, whereas the locked counterparts exhibit two distinct solvent-involved ESPT pathways. Comparative analysis of femtosecond transient absorption spectra of these unlocked and locked superphotoacids reveals that the ESPT rates adopt an “inverted” kinetic behavior as the thermodynamic driving force increases upon locking the backbone. Further experimental and theoretical investigations are expected to shed more light on the interplay between the modified electronic structure (mainly by dihalogenation) and nuclear motions (by conformational locking) of the functionalized GFP derivatives (e.g., fluorescence on and off).

1.
O.
Shimomura
,
F. H.
Johnson
, and
Y.
Saiga
,
J. Cell. Comp. Physiol.
59
,
223
239
(
1962
).
2.
M.
Chalfie
,
Y.
Tu
,
G.
Euskirchen
,
W. W.
Ward
, and
D. C.
Prasher
,
Science
263
,
802
805
(
1994
).
3.
R. Y.
Tsien
,
Annu. Rev. Biochem.
67
,
509
544
(
1998
).
4.
M.
Zimmer
,
Chem. Rev.
102
,
759
782
(
2002
).
5.
D. M.
Chudakov
,
M. V.
Matz
,
S.
Lukyanov
, and
K. A.
Lukyanov
,
Physiol. Rev.
90
,
1103
1163
(
2010
).
6.
M.
Chattoraj
,
B. A.
King
,
G. U.
Bublitz
, and
S. G.
Boxer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
93
,
8362
8367
(
1996
).
7.
C.
Fang
,
R. R.
Frontiera
,
R.
Tran
, and
R. A.
Mathies
,
Nature
462
,
200
204
(
2009
).
8.
W.
Weber
,
V.
Helms
,
J. A.
McCammon
, and
P. W.
Langhoff
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
96
,
6177
6182
(
1999
).
9.
A. D.
Kummer
,
C.
Kompa
,
H.
Niwa
,
T.
Hirano
,
S.
Kojima
, and
M. E.
Michel-Beyerle
,
J. Phys. Chem. B
106
,
7554
7559
(
2002
).
10.
K. L.
Litvinenko
,
N. M.
Webber
, and
S. R.
Meech
,
J. Phys. Chem. A
107
,
2616
2623
(
2003
).
11.
J.-S.
Yang
,
G.-J.
Huang
,
Y.-H.
Liu
, and
S.-M.
Peng
,
Chem. Commun.
2008
,
1344
1346
.
12.
A. F.
Bell
,
X.
He
,
R. M.
Wachter
, and
P. J.
Tonge
,
Biochemistry
39
,
4423
4431
(
2000
).
13.
R.
Simkovitch
,
S.
Shomer
,
R.
Gepshtein
, and
D.
Huppert
,
J. Phys. Chem. B
119
,
2253
2262
(
2015
).
14.
M. S.
Baranov
,
K. A.
Lukyanov
,
A. O.
Borissova
,
J.
Shamir
,
D.
Kosenkov
,
L. V.
Slipchenko
,
L. M.
Tolbert
,
I. V.
Yampolsky
, and
K. M.
Solntsev
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
6025
6032
(
2012
).
15.
Y.-H.
Hsu
,
Y.-A.
Chen
,
H.-W.
Tseng
,
Z.
Zhang
,
J.-Y.
Shen
,
W.-T.
Chuang
,
T.-C.
Lin
,
C.-S.
Lee
,
W.-Y.
Hung
,
B.-C.
Hong
,
S.-H.
Liu
, and
P.-T.
Chou
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
11805
11812
(
2014
).
16.
K. M.
Solntsev
,
O.
Poizat
,
J.
Dong
,
J.
Rehault
,
Y.
Lou
,
C.
Burda
, and
L. M.
Tolbert
,
J. Phys. Chem. B
112
,
2700
2711
(
2008
).
17.
C.
Scharnagl
and
R. A.
Raupp-Kossmann
,
J. Phys. Chem. B
108
,
477
489
(
2004
).
18.
C.
Chen
,
L.
Zhu
,
M. S.
Baranov
,
L.
Tang
,
N. S.
Baleeva
,
A. Y.
Smirnov
,
I. V.
Yampolsky
,
K. M.
Solntsev
, and
C.
Fang
,
J. Phys. Chem. B
123
,
3804
3821
(
2019
).
19.
C.
Chen
,
W.
Liu
,
M. S.
Baranov
,
N. S.
Baleeva
,
I. V.
Yampolsky
,
L.
Zhu
,
Y.
Wang
,
A.
Shamir
,
K. M.
Solntsev
, and
C.
Fang
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
5921
5928
(
2017
).
20.
E. W.
Driscoll
,
J. R.
Hunt
, and
J. M.
Dawlaty
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2093
2099
(
2016
).
21.
C.
Chen
,
M. S.
Baranov
,
L.
Zhu
,
N. S.
Baleeva
,
A. Y.
Smirnov
,
S. O.
Zaitseva
,
I. V.
Yampolsky
,
K. M.
Solntsev
, and
C.
Fang
,
Chem. Commun.
55
,
2537
2540
(
2019
).
22.
R.
Berera
,
R.
van Grondelle
, and
J. M.
Kennis
,
Photosynth. Res.
101
,
105
118
(
2009
).
23.
W.
Liu
,
Y.
Wang
,
L.
Tang
,
B. G.
Oscar
,
L.
Zhu
, and
C.
Fang
,
Chem. Sci.
7
,
5484
5494
(
2016
).
24.
L.
Tang
and
C.
Fang
,
J. Phys. Chem. B
123
,
4915
4928
(
2019
).
25.
M. A.
Taylor
,
L.
Zhu
,
N. D.
Rozanov
,
K. T.
Stout
,
C.
Chen
, and
C.
Fang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
9728
9739
(
2019
).
26.
M.
Rini
,
B.-Z.
Magnes
,
E.
Pines
, and
E. T. J.
Nibbering
,
Science
301
,
349
352
(
2003
).
27.
S. P.
Laptenok
,
J.
Conyard
,
P. C. B.
Page
,
Y.
Chan
,
M.
You
,
S. R.
Jaffrey
, and
S. R.
Meech
,
Chem. Sci.
7
,
5747
5752
(
2016
).
28.
T.
Chatterjee
,
F.
Lacombat
,
D.
Yadav
,
M.
Mandal
,
P.
Plaza
,
A.
Espagne
, and
P. K.
Mandal
,
J. Phys. Chem. B
120
,
9716
9722
(
2016
).
29.
J. P.
Malhado
and
J. T.
Hynes
,
J. Chem. Phys.
137
,
22A543
(
2012
).
30.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A. V.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
D.
Williams-Young
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. J. A.
Montgomery
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T. A.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
, GAUSSIAN 16, Revision A.03,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2016
.
31.
C.
Fang
,
L.
Tang
,
B. G.
Oscar
, and
C.
Chen
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
3253
3263
(
2018
).
32.
O. F.
Mohammed
,
D.
Pines
,
J.
Dreyer
,
E.
Pines
, and
E. T. J.
Nibbering
,
Science
310
,
83
86
(
2005
).
33.
B. G.
Levine
and
T. J.
Martínez
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
58
,
613
634
(
2007
).
34.
E.
Pines
,
D.
Huppert
, and
N.
Agmon
,
J. Chem. Phys.
88
,
5620
5630
(
1988
).
35.
R.
Simkovitch
,
G. G.
Rozenman
, and
D.
Huppert
,
J. Photochem. Photobiol., A
344
,
15
27
(
2017
).
36.
J. L.
Perez-Lustres
,
F.
Rodriguez-Prieto
,
M.
Mosquera
,
T. A.
Senyushkina
,
N. P.
Ernsting
, and
S. A.
Kovalenko
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
5408
5418
(
2007
).
37.
M.
Maroncelli
,
J.
Macinnis
, and
G. R.
Fleming
,
Science
243
,
1674
1681
(
1989
).
38.
N.
Agmon
,
J. Phys. Chem. A
109
,
13
35
(
2005
).
39.
L.
Tang
,
L.
Zhu
,
Y.
Wang
, and
C.
Fang
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
4969
4975
(
2018
).
40.
R. A.
Marcus
and
N.
Sutin
,
Biochim. Biophys. Acta, Rev. Bioenerg.
811
,
265
322
(
1985
).
41.
P. M.
Kiefer
and
J. T.
Hynes
,
J. Phys. Chem. A
106
,
1850
1861
(
2002
).
42.
P. M.
Kiefer
and
J. T.
Hynes
,
Solid State Ionics
168
,
219
224
(
2004
).
43.
S.
Hammes-Schiffer
and
A. V.
Soudackov
,
J. Phys. Chem. B
112
,
14108
14123
(
2008
).
44.
S.
Hammes-Schiffer
and
A. A.
Stuchebrukhov
,
Chem. Rev.
110
,
6939
6960
(
2010
).
45.
P.
Goyal
and
S.
Hammes-Schiffer
,
ACS Energy Lett.
2
,
512
519
(
2017
).
46.
A.
Kovács
,
I.
Macsári
, and
I.
Hargittai
,
J. Phys. Chem. A
103
,
3110
3114
(
1999
).
47.
M. H.
Abraham
,
R. J.
Abraham
,
A. E.
Aliev
, and
C. F.
Tormena
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
25151
25159
(
2015
).
48.
S. A.
Kovalenko
,
R.
Schanz
,
H.
Hennig
, and
N. P.
Ernsting
,
J. Chem. Phys.
115
,
3256
3273
(
2001
).
49.
W.
Liu
,
L.
Tang
,
B. G.
Oscar
,
Y.
Wang
,
C.
Chen
, and
C.
Fang
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
997
1003
(
2017
).
50.
D. R.
Dietze
and
R. A.
Mathies
,
ChemPhysChem
17
,
1224
1251
(
2016
).
51.
C.
Chen
,
L.-d.
Zhu
, and
C.
Fang
,
Chin. J. Chem. Phys.
31
,
492
502
(
2018
).
52.
C.
Fang
,
L.
Tang
, and
C.
Chen
,
J. Chem. Phys.
151
,
200901
(
2019
).
53.
J. A.
Wemmie
,
M. P.
Price
, and
M. J.
Welsh
,
Trends Neurosci.
29
,
578
586
(
2006
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.