Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 13
1.1. Исходные данные .14
1.1.1. Гибридный подход МД-моделирования 17
1.1.2. Потенциал Терсоффа .19
1.1.3. Параметры межатомного потенциала 21
1.2. Методы и объект исследования .22
1.2.1. Классическое МД моделирование 22
1.2.2. Потенциал Леннарда-Джонса 24
1.2.3. Пакет DL POLY .25
1.2.4. Шаги реализации процесса МД – моделирования 27
1.3. Выводы .36
2. Результаты мд моделирования молекулярных систем нуклеотиды-наночастицы-УНТ 38
2.1. МД-расчет связей Нуклеотиды-НЧ золота в матрице УНТ .41
2.2. Энергии угловых и дигедральных (торсионных) связей системы Н-НЧ в матрице УНТ .47
2.3. Расчет полной потенциальной энергии системы Н-НЧ-УНТ 51
2.4. Выводы .52
3. Результаты мд моделирования молекулярных систем нуклеотидная цепочка-наночастицы-УНТ 53
3.1. МД-расчет связей НЦ-НЧ золота в матрице УНТ с
открытыми границами. 55
3.1.1. Взаимное расположение НЦ-НЧ в УНТ с открытыми границами 57
3.1.2. Результаты МД вычислений распределения контактов и энергий связей НЦ-НЧ в матрице УНТ с открытыми границами 58
3.1.3. Анализ распределения связей и энергий внутримолекулярных колебаний НЦ с вариацией режимов нагрева системы НЦ-НЧ-УНТ 63
3.2. Результаты МД моделирования связей НЦ–НЧ, взаимодействующие в УНТ с периодическими границами .69
3.2.1. Результаты МД вычислений распределения связей НЦ-НЧ в матрице УНТ с открытыми границами 70
3.2.2. Результаты МД вычислений энергий угловых и торсионных связей для периодических систем НЦ-НЧ-УНТ 73
3.2.3. Выводы 77
4. Результаты мд моделирования молекулярных систем пептиды-наночастицы-УНТ 77
4.1. МД моделирование молекулярных систем пептиды-НЧ- УНТ.. 77
4.1.1. МД-расчет взаимодействия пептидных цепочек с НЧ золота в матрице УНТ 78
4.1.2. МД моделирование эффектов влияния НЧ золота на процесс инкапсуляции пептидных цепей внутри УНТ .82
4.1.3. МД моделирование эффектов парных корреляций НЧ золота на процесс инкапсуляции пептидных цепей внутри УНТ
4.2. МД-расчет процессов взаимодействия молекулы ДНК с УНТ 88
4.3. Выводы 92
Основные результаты и выводы 93
Список сокращений 95
Список опубликованных работ
- Параметры межатомного потенциала
- Энергии угловых и дигедральных (торсионных) связей системы Н-НЧ в матрице УНТ
- Результаты МД вычислений распределения контактов и энергий связей НЦ-НЧ в матрице УНТ с открытыми границами
- МД моделирование эффектов влияния НЧ золота на процесс инкапсуляции пептидных цепей внутри УНТ
Введение к работе
Актуальность исследования. Гибридный молекулярно-динамический (МД) подход, сочетающий в себе современные традиционный (классический) и квантово-химический методы, отвечает современному состоянию молекулярного моделирования и представляет собой наиболее адекватный инструментарий для исследования широкого круга теоретико-прикладных задач в области физики, химии и биологии. В этом отношении выбор тематики диссертационного исследования мотивирован и находится в русле весьма распространенного в настоящее время направления исследования молекулярных систем гибридными квантово-химическими и классико-механическими методами. Собственно говоря, это единственно возможный подход для целого ряда нерешенных на сегодня научно-прикладных проблем физики, биохимии и нанотехнологий. К примеру, в исследовании ферментативных систем важен учет влияния периферийной по отношению к активному центру части фермента, но подобная необходимость сталкивается с существенными ресурсными затратами при квантово-химическом анализе. В подобных системах рациональное использование объединенного классического и квантово-химического подходов МД-моделирования представляет собой наиболее оптимальный путь к достижению цели.
Структурные превращения молекулярных систем отчасти оказываются строго коррелированными с важными физико-химическими процессами, которые трудно адекватно моделировать без привлечения комбинированных методов квантовой химии и молекулярной механики. Например, перенос заряда в системе нуклеотиды, пептиды, ДНК - металлические наночастицы (НЧ), металлические поверхности-углеродная нанотрубка (УНТ) определяется, в основном, конформационными изменениями вышеназванных биологических фрагментов. В свою очередь, конформационные структурные превращения биомолекул управляются слабыми ван-дер-ваальсовыми (ВдВ) силами и электрическими потенциалами в системе. Понимание механизмов фи-
зико – химического взаимодействия нуклеотидов и пептидов, небольших молекулярных фрагментов или молекулы ДНК с металлическими наночастица-ми и поверхностями в объеме пространственно - ограниченной среды -матрицы / углеродной нанотрубки является чрезвычайно важным для ряда приложений современной микроэлектроники, биотехнологий и генной инженерии. Это, прежде всего, дизайн нанороботов и нанотехнологического диагностического инструментария медицинского назначения, аппаратной части микро- и наносистемной техники, средств адресной доставки медицинских препаратов внутрь живой клетки и т.п.
Важным звеном в исследовании молекулярных структур и процессов взаимодействия молекул ДНК или РНК с металлическими НЧ и УНТ является небольшая нуклеотидная цепочка (НЦ). Известно, что первичные структуры ДНК и РНК состоят из линейной последовательности нуклеотидов, связанных друг с другом фосфодиэфирной связью. На сегодняшний день нуклеиновые кислоты (НК) являются мощным инструментом нанотехнологий и электронной промышленности.
Количественная и качественная оценка эффектов влияния межатомных ВдВ сил и потенциалов на структурные превращения в системе нуклеотид, пептид, ДНК – НЧ – УНТ, с учетом вышесказанного, представляет собой крайне важную и, вместе с тем, малоизученную задачу. Слабые ВдВ взаимодействия могут инициировать или сопутствовать образованию сильной связи нуклеотида, пептида или молекулы ДНК с металлическими НЧ. Это особенно важно при наличии ограниченной геометрии среды, задаваемой матрицей УНТ. С другой стороны, знание закономерностей формирования разнообразных связей биомолекул с НЧ внутри УНТ требует детальной оценки вкладов сил и потенциалов ВдВ природы во внутримолекулярные колебания в системе. Эффекты взаимной корреляции внутримолекулярных мод (угловые, торсионные (дигедральные) и т.п. колебания) с силами ВдВ определяют все аспекты динамических и структурных процессов в тройной системе нуклеотид, пептид или ДНК – НЧ – УНТ.
Объекты и предмет исследования. В качестве объектов исследования были выбраны УНТ, отдельные нуклеотиды из пиримидина (Т, тимина; Ц, цитозина) или пурина (А, аденина; Г, гуанина), нуклеотидные цепочки (НЦ), состоящие из наборов пиримидинов и пуринов, а также, одной или нескольких металлических наночастиц золота. Предметом исследования было определение с привлечением данных МД-моделирования особенностей формирования связей нуклеотиды, НЦ – НЧ - УНТ, влияния ограниченной среды из матрицы УНТ на динамические и конфигурационные структурные корреляции НЦ с НЧ, а также, построение температурных зависимостей энергетических характеристик внутримолекулярных связей в системе НЦ-НЧ-УНТ.
Целью работы является исследование методом МД-моделирования процессов взаимодействия и инкапсуляции нуклеотидов и их линейных ассоциатов - пептидов, а также, двухцепочечной молекулы ДНК с металлическими наночастицами в матрице УНТ для транспорта медицинских препаратов в биологические клетки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Адаптация и развитие метода МД-моделирования к описанию разнообразных тройных молекулярных систем типа нуклеотид-НЧ-УНТ, НЦ-НЧ-УНТ, ДНК-НЧ-УНТ и т.д.
-
Оптимизация и верификация основных принципов гибридного подхода МД-моделирования с использованием программного многоцелевого пакета DL_POLY. Оценка пригодности и выбор параметров атом-атомного взаимодействия с верификацией потенциалов и силовых полей.
3. Проведение МД-моделирования разнообразных молекулярных си
стем из взаимодействующих нуклеотидов, пептидов, молекулы ДНК и нано-
частиц золота в матрице углеродной нанотрубки.
4. Расчет множественных МД-моделей с привлечением многомасштаб
ных параллельных вычислений, набор статистики, анализ динамических и
структурных конфигурационных свойств, а также, энергетических характе
ристик взаимодействия для молекулярных систем типа: нуклеотиды-НЧ-
УНТ, НЦ-НЧ-УНТ, ДНК-НЧ-УНТ; визуализация и графический анализ процессов релаксации и внутримолекулярных динамических конфигураций; математический анализ и интерпретация с использованием полученных МД-данных процессов переноса биологических материалов в этих системах. Научная новизна работы заключается в том, что:
-
Построена полноатомная МД-модель УНТ – нуклеотиды – металлическая наночастица путем реализации гибридных методов квантовой химии и классической молекулярной механики. Уточнены параметры межмолекулярного взаимодействия в трехкомпонентной системе НЦ-НЧ-УНТ. Исследованы динамические и структурные свойства отдельных нуклеотидов с учетом различных граничных условий, задаваемых матрицей УНТ. Построены и проанализированы зависимости энергетических характеристик внутримолекулярных связей в системе НЦ-НЧ-УНТ при разных температурах. Обнаружено различие в поведении пиримидинов и пуринов при взаимодействии с наночастицами золота, характеризующее особую энергетику связей внутри углеродной нантрубки.
-
Впервые предложена микроструктурная модель процесса межатомного и межмолекулярного взаимодействия внутри УНТ, содержащая отдельные нуклеотиды, цепочки нуклеотидов и более сложные двухцепочечные молекулы ДНК с металлическими наночастицами золота. Впервые обнаружен и проанализирован эффект взаимной корреляции индуцируемых ВдВ-взаимодействием внутримолекулярных колебаний, определяющих основные аспекты динамических и структурных процессов в тройной системе нуклео-тид (пептид или ДНК) – НЧ – УНТ. Для указанной трехкомпонентной молекулярной системы впервые применен гибридный молекулярно-динамический подход. Данный подход, ввиду учета комплекса структурных и динамических особенностей изучаемых молекулярных фрагментов (образование сильных или слабых связей с металлическими наночастицами в сочетании с вариацией геометрии углеродной нанотрубки и граничных условий), обеспечива-
ет надежность описания исследуемых процессов и позволяет предсказывать поведение системы при изменении внешних условий.
Теоретическая и практическая значимости. Полученные сведения о специфике образования связей нанобиоструктур с металлическими наноча-стицами в среде с ограниченной геометрией УНТ, а также, развитый гибридный модельный МД- подход, сочетающий в себе современные классические и квантово-химические методы, могут быть использованы при структурных исследованиях с использованием дифракционных и спектральных методов анализа, а так же, при интерпретации экспериментальных данных.
Помимо методологического аспекта трехкомпонентная система типа УНТ-НЦ-металлические наночастицы представляет интерес при создании и дизайне микрочипов и микроэлектронных диагностических устройств. Детальное понимание совокупности эффектов, влияющих на природу и степень упорядоченности молекулярных образований внутри углеродной нанотрубки, содержащей металлические наночастицы, является существенным шагом в изучении особенностей взаимодействий нуклеотид – УНТ – металлические наночастицы и расширении возможностей по созданию из УНТ- контейнеров с биологическим материалом с заданными физическими и биохимическими свойствами.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Путм реализации гибридного квантово-химического и классического молекулярного подхода построена полноатомная МД модель системы УНТ-нуклеотиды-металлические наночастицы, описывающая ее структурные и динамические свойства, уточнены параметры потенциалов межмолекулярного взаимодействия Леннарда-Джонса в исследованных компонентах;
-
По результатам МД-расчетов обнаружены различия в поведении пи-римидинов и пуринов при взаимодействии с металлическими наночастицами золота в объеме углеродной нанотрубки с образованием слабых или сильных связей, соответственно;
-
По данным МД-моделирования построены зависимости энергетических характеристик внутримолекулярных связей в системе НЦ-НЧ-УНТ при разных температурах. Обнаружена взаимная корреляция внутримолекулярных колебаний с силами электрической природы (ВдВ-взаимодействие) на формирование связей нуклеотидов с металлическими наночастицами в ограниченной геометрии УНТ;
-
Разработана модель УНТ-цепочка нуклеотидов из ряда пиримидинов и пуринов для анализа процессов взаимодействия и образования связей с металлическими наночастицами золота;
-
Определены динамические эффективные конформации цепочки нук-леотидов и молекулы ДНК внутри УНТ и параметры межмолекулярного взаимодействия, сопровождающего важные процессы инкапсуляции нуклеотид-ной цепочки и ДНК в матрице углеродной нанотрубки;
-
На основе результатов МД моделирование, трехмерной визуализации и графического анализа установлены важные процессы внутримолекулярной релаксации и показаны динамические конфигурации в системе УНТ-отдельные нуклеотиды-цепочки нуклеотидов-молекулы ДНК. Перечисленные модели проанализированы на предмет возможности транспортировки биологических материалов в нанобиотехнологических приложениях.
Методы исследований. Теоретические и вычислительные расчеты проведены на основе гибридных подходов молекулярной динамики с сочетанием квантово-химического и классического молекулярно-механического методов анализа.
Степень достоверности. Теоретические исследования и вычислительные МД-расчеты проводились на основе гибридных подходов квантовой химии и классической молекулярной механики с использованием современного лицензионного многоцелевого программного обеспечения DL_POLY, визуа-лизационных и графических утилит, гарантирующих достоверность результатов исследования на уровне мировых стандартов современной науки в данной области науки.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует формуле специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния» (физико-математические науки) в области «Теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств неорганических и органических соединений», а также «теоретическое и экспериментальное исследование физических свойств неупорядоченных неорганических и органических систем» согласно п.1, 2 паспорта специальности.
Реализация работы. Представленные результаты исследований могут быть применены при решении задач моделирования динамических процессов с участием нуклеотидов, пептидов и ДНК в УНТ в присутствии металлических наночастиц. Кроме того, результаты могут быть использованы в прикладных разработках в передовых областях современной микроэлектроники, микросистемной техники, биоинженерии и в качестве дополнения к учебным пособиям для профильных лекционных курсов ВУЗов.
Апробация работы. Результаты работы доложены на следующих симпозиумах и конференциях: XXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учных «Ломоносов».-2014; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учных «Ломоносов-2015»; Международное Совещание MSSMBS-2014 «Молекулярно-динамическое моделирование в науках о веществе и биологии», г. Москва; Душанбинский симпозиум по вычислительному материаловедению и биологическим наукам DSCMBS-2014; IV Международный симпозиум IGER по моделированию биолекулярных систем 31.10-2.11.2015, Университет Нагоя, Япония; Международная конференция по математике и применению (ICMA 15) 27-29. 12. 2015г. г. Каир, Египет; II Международный симпозиум по вычислительному материаловедению и биологическим наукам 1 - 2. 11.2015 Университет Нагоя, Япония; XXIII международная конференция «Математика. Компьютер. Образование», г. Дубна, 25–30 января 2016 г.; Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2016» в Москве 11 – 15. 04. 2016; VII Международная конференция по лазерной, оп-
тической спектроскопии и их применениях: 18-20. 10. 2016, NRC, Каир, Египет; Международный cимпозиум по применению вычислительных методов в материаловедении и биологии, KSCMBS-2016 24-28. 09. 2016, Худжанд, Таджикистан.
Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 научных статей, 6 из которых в журналах из перечня ВАК РФ. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении компьютерных расчетов и теоретических исследований, анализе и обсуждении полученных результатов МД-моделирования. Полученные диссертантом результаты, представленные в названных публикациях, в данной работе являются определяющими.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 107 листах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Диссертация содержит 49 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список состоит из 74 источников.
Параметры межатомного потенциала
Таким образом, из сравнения результатов МД-моделирования, изложенных выше, мы обнаруживаем, что для моделей 1 и 2 возможно образование сильной связи Пиримидина (Ц–цитозина) - НЧ золота, в то время как очевидно разрушение связи Пурина (Г–гуанина) - НЧ. То-есть, даже при низких температурах (T=100 K) для нуклеиновой кислоты (Пурина) внутримолекулярные вибрации доминируют над слабыми ВдВ взаимодействиями между нуклеотидом и НЧ.
Для оценки внутримолекулярных осцилляций нуклеотидов по данным МД моделирования были построены графики энергии угловых и торсионных (дигедральных) связей нуклеотида. Вся система (нуклеотиды, наночастицы золота и углеродная нанотрубка) взаимодействует друг с другом с помощью только ВдВ (VdW) потенциала. Как уже было отмечено, короткодействующие ВдВ взаимодействия между Н, НЧ и УНТ описываются с помощью потенциала Леннарда-Джонса (Л-Дж, или 12-6), широко используемый для моделирования жидкостей и конденсированных фаз: V(r) = 4є
Важно подчеркнуть важность выбора для системы углеродная нанотрубка -нуклеотиды - наночастицы значений параметров взаимодействия, -глубины потенциальной ямы, - «эффективного диаметра» - расстояние, на котором уравновешиваются силы отталкивания и притяжения между атомами. При этом, параметры и нами были взяты из анализа огромного набора из литературы, а также базы данных пакета DLPOLY [15]. Например, были многократно тестированы и использованы следующие значения: (Au-Au)=0,039 ккал/моль, (Au-Au)=2,9 [17]; (C-Au)=0,29256 ккал/моль, (C-Au)=2,99 [16-18]; (C-C)=0,1055 ккал/моль, (C-Au)=3,851 [19]; (O-O)=0,156 ккал/моль, (O-O)=3,166 , [19]; (N-N)=0,072 ккал/моль, (C-Au)=3,31 [20]; (P-P)=0,40 ккал/моль, (Р-Р)=3.33 [20], и т.д. Некоторые потенциалы и их параметры также показаны в предыдущей главе (Таблицы 1-3). Параметры силовое поле для нуклеотидов и молекулы УНТ были выбраны из DLFIELD [14-15]. На Рис. 2.12 - 2.14 соответственно представлены временные зависимости энергий угловых и торсионных связей нуклеотида внутри УНТ при взаимодействии с 1НЧ, 2НЧ и 3НЧ золота. Модель 1 (нуклеотид-1НЧ-УНТ) Рис. 2.12. Энергия угловых (слева) и торсионных (двугранных) (справа) связей в зависимости от времени для нуклеотидов при взаимодействии с 1НЧ золота внутри УНТ. (Модель 1: Нуклеотид– 1НЧ–УНТ). Темные линии: Пурин (Г-гуанин), светлые линии: Пиримидин (Ц- цитозин).
Энергия угловых (слева) и торсионных (двугранных) (справа) связей в зависимости от времени для нуклеотидов при взаимодействии с 3НЧ золота внутри УНТ. (Модель 2 (Нуклеотид– 3НЧ–УНТ)). Темные линия: Пурин (Г-гуанин), светлые линии: Пиримидин (Ц- цитозин).
Распределения кривых для энергий связей нуклеотид - НЧ на Рис. 2.12-2.14 представлены для угловых (слева) и торсионных кручений (дигедральных) (справа) внутримолекулярных вибрационных мод. Энергетические зависимости как функция времени представлены для систем Нуклеотид-1НЧ-УНТ (модель 1), Нуклеотид-2НЧ-УНТ (модель 2) и Нуклеотид-3НЧ-УНТ (модель 3), соответственно (Т=100 К). Нетрудно наблюдать, что кривые энергий угловых и торсионных связей для пиримидина (C-, Ц-цитозина) (светлые линии) находятся ниже, чем пурина (G-, Г-гуанина) (черные линии). Сравнения кривых Рис. 2.12, 2.13, 2.14 показывает, что пурин (G-, Г-гуанин) обладает более высокими внутримолекулярными колебательными модами, нежели пиримидин (C-, Ц-цитозин). Данное свойство является характерной особенностью связи нуклеотида с металлической наночастицей, способствующей образованию сильной связи или ее разрушении как таковой. По мере того, как внутренние колебания нуклеотида начнут доминировать над слабыми силами ВдВ (VDW) между Н-НЧ, это приводит к тому, что их устойчивая связь становиться невозможной.
Сравнивая результаты Рис. 2.14 (Нуклеотид-3НЧ-УНТ) с Рис. 2.13 (Нуклеотид-2НЧ-УНТ) и Рис. 2.12 (Нуклеотид- 1НЧ-УНТ), можно сделать вывод, что поведение энергий угловых и торсионных связей нуклеотида на начальном этапе динамики определяет состояния системы в конечных стадиях. Иными словами, взаимодействие нуклеотидов и наночастиц золота в начальной стадии служит отправным пунктом для формирования связей Н-НЧ внутри УНТ. Это – характерная особенность динамических изменений Нуклеотида-НЧ в ограниченной среде, задаваемой матрицей УНТ. Из Рис. 2.12-2.14 можно заметить, что такое распределение кривых угловых и торсионных (крутильных, дигедральных) энергий связей для пиримидина (С-, Ц-цитозина) характерно, скорее всего, для сильной связи нуклеотида с 1НЧ, 2НЧ и 3НЧ НЧ. В то время, для пурина (G-, Г-гуанина), обладающий более высокими внутренними колебательными модами, лишь наибольший по размеру НЧ (кластер из трех атомов золота) может держать нуклеотид в тесном долгоживущем контакте. С повышением температуры (от Т=100 до 300 К) вышеописанные особенности связей Нуклеотид-НЧ сохраняются, хотя в большинстве наблюдений угловые и торсионные (дигедральные) внутримолекулярные вибрации нуклеотидов разрушают тесную связь Н-НЧ, сделав образование сильной связи Н-НЧ весьма редким событием для всех трех рассмотренных моделей Н-НЧ-УНТ.
Энергии угловых и дигедральных (торсионных) связей системы Н-НЧ в матрице УНТ
Для каждого из двух случаев (УНТ с открытыми и периодическими границами) проводились серия МД вычислений в интервале температур от Т=100 до 300К над следующими семью моделями НЦ-НЧ-УНТ:
(1) Модель 1, НЦ-(w)Au, (2) Модель 2, НЦ-(s)Au, (3) Модель 3, НЦ-(i)Au, (4) Модель 4, НЦ-(w,s)Au, (5) Model 5, НЦ-(s,i)Au, (6) Модель 6, НЦ-(w,i)Au,
(7) Модель 7, НЦ-(w,s,i)Au. Здесь индексы (w), (s) и (i) означают образованию предпочтительно слабых, сильных и промежуточных связей между НЦ-НЧ. То есть, для системы НЦ-НЧ-УНТ моделировались 1, 2 и 3 частиц из золота, где генерировались три позиционно различные атомы золота; результирующие взаимодействия этих частиц с НЦ обозначим как НЦ-(w)Au, НЦ-(s)Au и НЦ-(i) Au. Далее, мы генерировали все возможные комбинации из двух НЧ золота с нуклеотидной цепочкой как НЦ-(w,s)Аu, НЦ-(s,i)Аu и НЦ-(w,i)Аu. Наконец, мы рассмотрели небольшой тройной кластер НЧ и смоделировали систему НЦ-(w,s,i)НЧ. Далее, два связанных нуклеотида (один пиримидин и один пурин), как в первичной структуре ДНК, были локализованы в непосредственной близости от наночастиц золота. Нуклеотидная цепь располагалась от атомов золота на расстояниях [510 ], т.е. в радиусе действия Ван-дер-Ваальсовых (ВдВ) сил и потенциалов (Рис. 3.4).
Модели нуклеотидной цепочки (НЦ), взаимодействующие с 1, 2 и 3 наночастицами золота (НЧ). Большими сферами обозначены один из двух атомов фосфора в НЦ (темно-коричневый цвет) и атомы НЧ золота (желтый цвет - (w, s, i) Au). 3.1.2. Результаты МД вычислений распределения контактов и энергий связей НЦ-НЧ в матрице УНТ с открытыми границами
На Рис. 3.5, 3.6 и 3.7 приведены результаты МД расчетов зависимостей расстояний НЦ-НЧ от времени, иллюстрирующие распределения взаимных расположений (контактов, связей) НЦ-НЧ, а также динамические конфигурационные изменения в системе НЦ-НЧ-УНТ с открытыми границами, для семи вышеописанных моделей при температуре T=100К (верхние и нижние рисунки). (Нижние картинки) Процесс взаимодействия и образования связей в начальном при t=0 (верхние картинки), (в середине) при t=50 ps и конечном, (нижние картинки) при t=100 ps, состояниях для моделей 1,2,3. Модель (4) НЦ–(w,s)Au (Верхние графики) взаимное расположение для моделей 4,5,6; НЦ–(w,s)Au, НЦ–(s,i)Au и НЦ–(w,i)Au внутри УНТ с открытыми границами в зависимости от времени, при температуре T=100К. (Нижние картинки). Процесс взаимодействия и образования связей в начальном при t=0 (верхние картинки), (в середине) при t=50 ps и конечном, (нижние картинки) при t=100 ps состояниях для моделей 1,2,3.
(Слева график) Взаимное расположение для модели 7 НЦ,(Ф)– (w,s,i)Au, внутри УНТ с открытыми границами в зависимости от времени, при температуре T=100 К. (Справа картинки) Процесс взаимодействия и образования связей в начальном, при t=0 (верхняя картинка), (в середине) при t=50 ps и конечном, (нижняя картинка) при t=100 ps, состояниях для модели 7. На Рис. 3.8 и 3.9 представлены результаты МД вычислений энергий угловых и торсионных (дигедральных) внутримолекулярных колебаний НЦ при взаимодействии с НЧ золота внутри УНТ с открытыми границами, для семи вышеописанных моделей при температуре T=100 К.
Результаты, приведенные для распределении связей НЦ-НЧ (Рис. 3.5, 3.6 и 3.7) и энергий внутримолекулрных связей НЦ (Рис. 3.8 и 3.9), указывают на возможность формировании различных контактов в системе НЦ-НЧ-УНТ, в условиях существования коллективных осцилляций (вибрационных мод) пары нуклеотидов в радиусе действий ВдВ сил со стороны НЧ золота. Нуклеотидная цепочка в отличие от единичного нуклеотида, исследованном в предыдущем разделе, обладает несколько иными колебательными модами, которые вносят существенный вклад на характер образование связей НЦ-НЧ. Приведенные на Рис. 3.5-3.7 и Рис. 3.8-3.9 МД результаты показывают различные сценарии образования связей НЦ-НЧ внутри УНТ с открытыми границами. Для систем с единичным атомом золота даже при низких температурах сильная связь НЦ-НЧ не всегда представляется возможной. Здесь мы наблюдаем эффект конкуренции внутримолекулярных, внутренних колебаний НЦ со слабыми ВдВ взаимодействиями НЦ с НЧ золота. НЦ может образовывать с некоторыми атомами золота тесный контакт, в то время как результатом их взаимодействия может быть разрушение их тесной связи в ограниченной матрице УНТ. Слабые ВдВ силы лишь с ростом числа атомов золота (т.е. наличие небольших кластеров) могут конкурировать с внутримолекулярными модами НЦ. В процесс коллективного взаимодействия НЦ с атомами золота и процесс формирования их связей также вносит вклад УНТ – за счет открытых границ, от которых внутренние колебательные моды НЦ могут лишь периодически усиливаться.
В настоящем разделе приводим результаты МД расчетов по оценке распределения связей (взаимных контактов, расположений) НЦ-НЧ для всех семи вышеописанных моделей при нагревании системы от T=100 до 300К. На Рис. 3.10 представлены графики распределения связей нуклеотидной цепочки с наночастицами золото для всех моделей 1,2,..,7; НЦ(P)–(w)Au; НЦ(P)–(s)Au; НЦ(P)–(i)Au; НЦ(P)–(w,s)Au; НЦ(P)–(s,i)Au; НЦ(P) –(w,i)Au; и НЦ(P)–(w,s,i)Au. Суперпозиции взаимных расположений НЦ-НЧ, зависимостей расстояний от времени, приведены для значения температур системы T=100, 200 и 300 К.
Результаты МД вычислений распределения контактов и энергий связей НЦ-НЧ в матрице УНТ с открытыми границами
Исследование молекулярных механизмов процессов взаимодействия и сворачивания пептидных цепочек и разнообразных биомолекулярных соединений (лекарств) с металлическими наночастицами в матрице углеродных нанотрубок и сферических тел (фуллеренов) в современном нанобиотехнологий и медицинских приложений представляет собой задачу огромной важности. Несомненно, сам процесс сворачивания (инкапсуляции, фолдинга) биомолекул внутри УНТ можно причислять к самым захватывающим научным зрелищем, как этого демонстрирует нам Рис. 4.1. Особенно, когда в процессах сворачивания биомолекул (пептидов, белков), происходящие в матрице УНТ, вносят свои коррективы металлические НЧ (Рис. 4.2), где наночастицы золота способствуют полной инкапсуляции пептидной цепи внутри УНТ. Это явление подобно процессу сворачивания (плотной упаковки) вирусов внутри чужеродной клетке (капсуле).
Последовательность конфигурационных картин (снапшоты), иллюстрирующие процесс сворачивания (инкапсуляции) пептидной молекулы (цепочки нескольких нуклеотидов) внутри углеродной нанотрубки ((а-д), сверху вниз).
Последовательность конфигурационных картин (снапшоты), иллюстрирующие процесс сворачивания (инкапсуляции) пептидной молекулы (цепочки нескольких нуклеотидов) внутри углеродной нанотрубки во взаимодействиях с наночастицвми золота ((а-д), сверху вниз). Здесь наночастицы золота способствуют полной инкапсуляции пептидной цепи внутри УНТ.
Возросшие с каждым годом мощности компьютерных молекулярных вычислений позволяют эффективно исследовать вышеназванные объекты на атомном уровне и получать важные сведения об их структуре, динамике и функциональных свойствах. Но важен и прикладной аспект, что имеется огромный практический интерес к выше названным системам и объектам, прежде всего, с перспективой их использования в биомедицинских целях [57-67]. К примеру, большой интерес к изучению структур и токсичности водных кластерных растворов фуллерена С60 связан с возможностью их использования для управляемой доставки лекарств, диагностики и лечения онкологических заболеваний. Эндоэдральные комплексы фуллеренов с металлами редкоземельного ряда и другими металлами (эндометаллофуллерены и водорастворимые формы – фуллеренолы), наподобие Gd@C82(OH)X (X=30–40), могут быть использованы в биомедицинских приложениях в качестве эффективных и нетоксичных контрастирующих агентов (Рис. 4.3).
Как показывают опыты на животных, они способны давать также и терапевтический эффект, подавляя развитие опухоли – глиомы С6 в мозге мыши. Следует отметить, что УНТ, фуллерены, эндофуллерены, фуллеренолы с различными биологическими молекулами, также интенсивно исследуются методами рассеяния нейтронов, в Лаборатории нейтронной физики им И.М. Франка ОИЯИ (ОБЪЕДИНЕННОМ ИНСТИТУТЕ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ), г. Дубна, Московской обл. и Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» ФГБУ ПИЯФ «ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА» в Гатчине, г. С.-Петербург [57-72].
Приводим результаты МД-моделирования протяженных молекулярных структур (одно-нитевых пептидных цепей) и механизмов их инкапсуляции и сворачивания внутри УНТ. Пептидная молекула (цепочка со многими связанными нуклеотидами) в среде УНТ смоделирована с различным набором, а также позиционными вариациями НЧ золота. На первоначальном этапе система пептид-УНТ исследовалась без присутствия каких либо НЧ (Рис. 4.4).
Результаты на Рис. 4.4 демонстрируют процесс самопроизвольной укладки пептидной молекулы от линейной до глобулярно-подобной структуры как вследствие внутримолекулярных вибраций, изученных в предыдущих разделах для отдельных нуклеотидов и небольших нуклеотидных цепочек. Далее, включение небольшого кластера НЧ золота к рассмотрению в системе пептид-УНТ, как видно с Рис. 4.5, также не существенно не меняет конечный результат их взаимодействия (сравним Рис. 4.5 с 4.4 выше).
МД моделирование эффектов влияния НЧ золота на процесс инкапсуляции пептидных цепей внутри УНТ
Однако небольшое изменение положение металлических НЧ существенно меняет картину взаимодействия пептида-НЧ-УНТ, как это показано на Рис. 4.6. Здесь НЧ золота локализованы внутри УНТ, что способствовало их более сильному взаимодействию с пептидной цепи и последующей ее притягивание вглубь матрицы УНТ. Вероятнее, головная часть пептида попало в радиусе действия ВдВ сил и потенциалов между пептида и НЧ.
Последовательность конфигурационных картин в системе пептид (цепочки из нескольких нуклеотидов) - углеродная нанотрубка при наличии наночастиц золота ((а-д), сверху вниз). 4.1.3. МД моделирование эффектов парных корреляций НЧ золота на процесс инкапсуляции пептидных цепей внутри УНТ
Рассмотрим теперь эффект влияния коллективного действия двух нанокластеров золота на процессы сворачивания пептида внутри УНТ. В Рис. 4.7 две НЧ золота в среде УНТ симметрично окружают пептидную цепочку, поддерживая его все время в поле действия сил ВдВ. Результатом коллективного действия, как видно ниже, сводиться к тому, что пептид периодически будет осциллировать между НЧ золота, так и не проникнув вглубь УНТ.
Последовательность конфигурационных картин в системе пептид (цепочки из нескольких нуклеотидов) - углеродная нанотрубка при наличии наночастиц золота ((а-д), сверху вниз).
Далее, варьируя положение НЧ золота можно добиться, что пептид мог проникнуть внутри УНТ. Как видно с Рис. 4.8, теперь пептидная цепочка почти полностью сворачивается внутри УНТ, так же как результат коллективного действия двух нанокластеров золота.
В настоящем разделе приводим результаты МД-моделирования молекулярной модели из двух-нитевой пептидной цепи (молекулы ДНК) во взаимодействиях с матрицей УНТ. В отличие от одно-нитевой пептидной цепочки, молекула ДНК по своему размеру (диаметру), конечно, трудно инкапсулировать внутри УНТ (Рис. 4.9). Рис. 4.9. Структуры УНТ и ДНК при сравнительном соотношении их размеров (диаметров).
Тем не менее, молекула ДНК состоит из тех же нуклеотидов и что, по химическому составу и атомно-молекулярной структуре сходна пептидной молекуле, рассмотренной выше. Поэтому можно ожидать, что те же закономерности взаимодействия нуклеотидов и пептидных цепей с УНТ, будут присутствовать для системы ДНК-УНТ. Используя тот же гибридный подход МД моделирования, что и для систем (Н,НЦ,пептид)-НЧ-УНТ, мы исследовали важные процессы взаимодействия и инкапсуляции целостной двух-нитевой молекулы ДНК внутри УНТ.
Ниже на Рис. 4.10 (а-б) представлены последовательные конфигурационные картинки (снапшоты) модели ДНК-УНТ для равновесных (релаксированных) состояний системы. Эти конфигурации демонстрируют тенденции проникновения ДНК внутри УНТ, отчетливые черты процесса инкапсуляции (сворачивания) молекулы в матрице УНТ.
Результаты МД моделирований и графической визуализации демонстрируют всевозможные сценарии эффектов влияния металлических наночастиц на конечную конформацию (скручивание) пептидов внутри УНТ. В некоторых случаях действие НЧ приводить к полной упаковке (инкапсуляции) пептидной цепочки внутри УНТ. В других случаях, металлические НЧ (в нашем случае НЧ золота) могут препятствовать процессу инкапсуляции пептида в матрице УНТ. Во всех случаях убедительно прослеживается конкуренция внутримолекулярных колебаний со слабыми силами ВдВ природы. Эффект взаимной корреляции этих двух основных видов атомно-молекулярных взаимодействий определяют образование или разрушение связей НЧ золота с пептидной цепи нуклеотидов. Поведение пептидной цепочки или ДНК внутри УНТ представляет важным звеном в понимании механизмов сворачивания (инкапсуляции) биомакромолекул внутри живой клетке. Общеизвестно, например, распространенное свойство - процесс инкапсуляция вирусов в ограниченной области (капсидов, нано- и микроразмеров) внутри чужеродной клетки, приводящие в итоге к различным заболеваниям (поскольку материнская клетка не познает чужой ген и допускает его проникновение, инкубацию и дальнейшее размножение). Хотя 2-х цепочная молекула ДНК и не умещается внутри углеродной нанотрубки (из-за большого диаметра по сравнению с диаметром нанотрубки), но четко прослеживается тенденция сворачивания ДНК внутри УНТ, что может делать систему ДНК-УНТ весьма привлекательным объектом в приложениях ДНК-нанотехнологии. В этом аспекте, разнообразие механизмов инкапсуляции одно-цепочной пептидной цепи, свободно умещающей внутри УНТ, указывает на некий простор по дизайну и внедрению новых микро-нано-устройствах для транспортировки биоматериалов или доставки лекарств внутри живой клетке и крови, тех или иных диагностических целях анализа.