Badania Biochemiczne nad Jonizacją Wody i Strukturami Molekularnymi
- Szczegóły
Zainteresowania badawcze grupy koncentrują się wokół znaczenia i wpływu zjawiska adsorpcji na właściwości układów o istotnym potencjale aplikacyjnym lub/i biomedycznym.
Konformacja Glikozaminoglikanów (GAGs)
Badania nad konformacją glikozaminoglikanów (GAGs), tj. szeroką grupą naturalnych polisacharydów pełniących zróżnicowane i istotne role w funkcjonowaniu organizmów żywych. W sposób systematyczny zbadano wpływ funkcjonalizacji (sulfonowanie wybranych grup egzocyklicznych) na konformację wiązań glikozydowych budujących łańcuch glikozaminoglikanów. Z uwagi na silną heterogeniczność strukturalną oraz potencjalne problemy z wyborem reprezentatywnych struktur, zastosowano podejście skupiające się na pełnym zbiorze 106 disacharydów jakie mogą budować cząsteczki GAGs.
Celem badań jest znalezienie wzorców podstawienia szczególnie silnie zaburzających geometrię łańcucha dla danego typu związku, wyjaśnienie ogólnych mechanizmów kontrolujących konformację łańcucha oraz wygenerowanie danych niezbędnych do kolejnego etapu badań, tj. parametryzacji cząsteczek GAGs do celów symulacji metodą dynamiki molekularnej na poziomie rozdzielczości coarse-grained.
Kolejnym aspektem badań jest stworzenie zestawu parametrów (pola siłowego) do symulacji szerokiego zakresu związków z rodziny naturalnych sacharydów (włączając w to te należące do rodziny glikozaminoglikanów). Zamierzamy zaproponować, przetestować i zwalidować parametry typu coarse-grained, kompatybilne z istniejącymi parametrami dotyczącemi biocząsteczek innego typu (np. MARTINI 3.0).
Analiza Struktury Telomerycznych Fragmentów DNA
Jednym z tematów badawczych jest analiza struktury telomerycznych fragmentów DNA przy użyciu dynamiki molekularnej. Telomery są to krańcowe fragmenty chromosomów zbudowane z wielokrotnie powtarzających się sekwencji zasad azotowych (TTAGGG):(CCCTAA). Ich rolą jest zabezpieczenie DNA przed niekontrolowaną fuzją podczas replikacji jak również kontrolowanie czasu życia komórki.
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
W obrębie telomerycznego DNA zarówno te bogate w guaninę jak i cytozynę nici mogą tworzyć przestrzenne niekanoniczne struktury wyższego rzędu: G-quadruplex oraz i-motif. Formowanie się tych struktur ma udowodniony wpływ na procesy blokowania nieskończonego potencjału replikacyjnego komórek.
Celem badań jest analiza procesów formowania się, rozpadu oraz stabilności struktur G-quadruplex oraz i-motif w zależności od różnych czynników jak np. zmiana pH środowiska czy oddziaływanie z obiektami nanostrukturalnymi. W szczególności badaniom poddawane są procesy adsorpcji G-quadruplexu oraz i-motifu na powierzchni nanorurek węglowych. Analiza tych procesów ma fundamentalne znaczenie dla projektowania tzw.
Obliczenia SEGO i Badania Mechanizmów Reakcji
Prowadzone są obliczenia SEGO w celu badania mechanizmu/przebiegu wymuszonych siłami zewnętrznymi reakcji izomeryzacji i fragmentacji oraz wewnątrzcząsteczkowego transferu protonu/grupy metylowej. Badania skupiają się również na opracowaniu nowej metodologii dotyczącej wykorzystania zewnętrznych sił przykładanych do jąder atomowych w układzie molekularnym do lokalizacji stanów przejściowych (TS) na powierzchni energii potencjalnej (PES).
Przechodzenie między kolejno znajdowanymi na PES stanami przejściowymi odbywa się bez jakiejkolwiek informacji o minimach lokalnych (można je oczywiście znaleźć w oddzielnym kroku w ramach obliczeń ścieżek reakcji).
Pola Siłowe Mechaniki Molekularnej dla Węglowodanów
Jednym z zadań badawczych jest opracowywanie nowych klasycznych pól siłowych mechaniki molekularnej służących do badań struktury i konformacji węglowodanów oraz ich późniejsze wykorzystanie w badaniach tych związków. W ramach badań stworzyliśmy rozszerzenia pola siłowego GROMOS dedykowane do symulacji metodą dynamiki molekularnej następujących klas związków:
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
- węglowodany zawierające zjonizowane, sprotonowane lub estryfikowane grupy karboksylowe (uroniany, w szczególności: pektyny oraz alginiany);
- węglowodany zawierające pierścienie furanozowe (monomery furanoz, np.: ryboza i arabinoza; dimery, np.: sukroza oraz oligomery, tzw. fruktany).
Dendrymery jako Platforma do Projektowania Nośników Biologicznie Czynnych
Do badań wybrano dwie generacje dodatnio naładowanych dendrymerów poli (amidoaminy) (PAMAM) jako potencjalnych nośników dla 5- fluorouracyl, leku stosowanego głównie w leczeniu raka jelita grubego. Techniki analityczne, takie jak DLS, UV-Vis oraz LDV wykazały, że najważniejszym czynnikiem determinującym tworzenie kompleksu PAMAM-5FU jest stopień protonacji składników wyjściowych.
Zmianę stopnia protonacji układu monitorowano stosując pomiar zeta potencjału w zależności od pH i siły jonowej układu. W wyniku oddziaływania cząsteczki dendrymeru z lekiem obserwowano systematyczny spadek ładunku kompleksu świadczący o kompensacji ładunku cząsteczki dendrymeru. Dodatkowo stosując metodę QCM-D określono efektywność adsorpcji dendrymerów oraz wyznaczono liczbę cząsteczek leku immobilizowanych w strukturze dendrymeru.
Badania potwierdziły zdolność układu do przyłączania około 20 cząsteczek 5FU na jedną cząsteczkę dendrymeru w przypadku czwartej generacji dendrymeru oraz około 25 cząsteczek w przypadku szóstej generacji dendrymeru. Porównując te wartości z nominalną liczbą grupy aminowych obecnych w strukturze dendrymeru, otrzymano wydajność układu na poziomie 16% dla G4PAMAM i 5% dla dendrymerów G6PAMAM.
Molekularne Aspekty Procesu Nieprawidłowego Fałdowania Białek
Prowadzone w ramach projektu badania skoncentrowane są na charakterystyce warstw białkowych na granicy międzyfazowej ciało stałe/ciecz. Stabilność strukturalna oraz stopień hydratacji warstw monitorowano stosując gamę zaawansowanych metod analitycznych takie jak wieloparametrowy powierzchniowy rezonans plazmonów (MP-SPR), mikrowagę kwarcową z dyssypacją energii (QCM-D) oraz spektroskopię w podczerwieni (FTIR).
Badania SPR i QCM-D wskazują, iż w trakcie zapełniania monowarstwy na powierzchni mamy do czynienia ze zmianą orientacji cząsteczek lizozymu z pozycji side-on do between/end-on. W zakresie wysokich stężeń objętościowych obserwuje się tworzenie biwarstwy. Stopień hydratacji monowarstwy i biwarstwy różnią się znacząco. Stopień hydratacja dla monowastwy zmienia się w zakresie 35-75%, w przypadku biwarstwy to aż 85%.
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Ponadto zaobserwowano korelacje pomiędzy stopniem hydratacji warstwy adsorpcyjnej a własnościami lepkosprężystymi warstw. Generalnie wzrost zapełnienia warstwy charakteryzuje się zwiększeniem jej sztywności, natomiast wyższy poziom hydratacji układu to zwiększenie własności lepkosprężystych. Ponadto oddziaływanie białka z powierzchnią złota ma istotny wpływ na stabilność natywnej struktury białka.
Na podstawie analizy widm FTIR obserwuje się wzrost zawartości struktur odpowiadających β-zwrotom oraz strukturom nieuporządkowanym lizozymu, przy jednoczesnym spadku zawartości β-kartek. Wzrost zawartości β-zwrotów w strukturze decyduje o stabilności struktury lizozymu i zapobiega agregacji układu. Zmiana siły jonowej układu indukuje zmianę struktury otoczki wodnej wokół cząsteczki białka. Przy niskiej zawartości soli dominuje woda nie związana.
Struktura i-motif
Izolowana forma struktury i-motif składa się z minimum 22 zasad azotowych o sekwencji (CCCTAA)3 Jej istnienie jest możliwe dzięki tworzeniu się tzw. par Hoogsteena w odróżnieniu od kanonicznej formy DNA gdzie za stabilność struktury odpowiada tworzenie komplementarnych par Watsona-Cricka.
I-motif wykazuje znaczą stabilność termodynamiczną w środowisku kwaśnym kiedy mogą tworzyć się pary Hoogsteena CC+pomiędzy sprotonowaną a natywną formą cytozyny. Ta właściwość i-motif została wykorzystana do konstrukcji nośnika doksorubicyny który byłby zdolny do uwalniania leku w kwaśnym mikrośrodowisku tkanki nowotworowej.
Jak podaje ScienceAlert struktura i-motif została niedawno (2018) zaobserwowana w żywej komórce co świadczy o tym, że może ona zaistnieć również w warunkach fizjologicznych. Wcześniejsze badania struktury i-motif wymagały obniżonego pH i tym samym analiz in vitro.
Jak wynika z naszych obliczeń zaistnienie i-motifu w fizjologicznym pH może być związane ze stabilizującą rolą G-quadruplexu uformowanego w bezpośrednim sąsiedztwie i-motifu. Jednakże szczegółowe badania wpływu nanorurki na stabiliność i-motif w układzie przedstawionym na Rys. 6 nie potwierdziły istotnego efektu stabilizacji wywołanej obecnością nanorurki. Dalsze badania dotyczące bezpośredniego transferu protonu z grup karboksylowych przyłączonych do nanorurki węglowej również nie potwierdziły aby nanorurka miała możliwość specyficznej protonacji cytozyn w obrębie i-motif DNA.
Eksploracja Powierzchni Energii Potencjalnej 2-metylofuranu (2MF)
SEGO (zaprojektowana z myślą o automatycznej lokalizacji wielokrotnych minimów na molekularnej powierzchni energii potencjalnej (PES)) została zastosowana do eksploracji powierzchni energii potencjalnej 2-metylofuranu (2MF). Molekuła ta budzi ostatnio duże zainteresowanie jako potencjalny kandydat na biopaliwo.
W przeprowadzonych badaniach zlokalizowanych zostało zaskakująco dużo lokalnych minimów odpowiadających izomerom 2MF i produktom fragmentacji (58 stabilnych izomerów i 40 różnych głównych produktów rozkładu). Niektóre izomery i produkty rozpadu 2MF mają zdumiewające struktury, które nie były najprawdopodobniej wcześniej znane.
Należą one do różnych klas związków chemicznych z różnymi grupami funkcyjnymi i różnymi układami wiązań. Wyróżnić tu można związki bi- i tricykliczne o zarówno homo, jak i hetero 3-, 4, 5 i 6-członowych pierścieniach oraz strukturach łańcuchowych i różnorodnych grupach funkcyjnych (-OH, -C=O, -CHO, R-O-R, epoksydowej). Jednocześnie mogą się charakteryzować obecnością podwójnych i potrójnych wiązań między atomami węgla (alken, alkin, dien i allen). Mogą to również być karbeny z jednym, dwoma, a nawet trzema dwuwartościowymi atomy węgla w cząsteczce.
Komplementarną częścią projektu dotyczącego 2-metylofuranu było zbadanie mechanizmu wewnątrzcząsteczkowego transferu protonu/grupy -CH3. Proces ten jest etapem początkowym w reakcjach pirolizy 2MF. Transfer protonu/grupy metylowej był indukowany przez określone siły zewnętrzne przyłożone do przesuwanych protonów lub atomu węgla z grupy -CH3. Pozwoliło to automatycznie znaleźć końcowe produkty transferu protonów.
Zaproponowana została nowa metodologia eksploracji powierzchni energii potencjalnej przy użyciu sił zewnętrznych. Podejście to pozwala na lokalizację na PES szeregu stanów przejściowych, a następnie w ramach obliczeń ścieżki reakcji - odpowiadających im minimów lokalnych. Jest więc w pewnym stopniu odwróceniem klasycznego sposobu wyznaczania punktów stacjonarnych na PES. Dla cząsteczki 2-fluorofuranu znalezionych zostało szereg stanów przejściowych.
Opracowywanie Zestawów Parametrów (Pól Siłowych) dla Węglowodanów
Opracowanie zestawów parametrów (pól siłowych) z przeznaczeniem do symulacji węglowodanów o jednostkach zarówno furanozowych jak i piranozowych, o dowolnej długości łańcucha (od poziomu monomeru), o arbitralnym typie wiązania glikozydowego pomiędzy monomerami, anomerii, heterogeniczości chemicznej łańcucha, możliwej funkcjonalizacji wybranych grup funkcyjnych (O-alkilacja, jonizacja lub estryfikacja grup karboksylowych) oraz rozgałęzień łańcucha. Stworzenie ilościowego opisu wpływu pH na konformacyjne stopnie swobody w cząsteczkach uronianów. Opracowano modele strukturalne kompleksów stworzonych przez łańcuchy pektyn oraz alginianów z jonami wapnia. Pokazano, że dynamiczne konformacje kompleksów różniących się orientacją łańcuchów cukrów (równoległa vs.
Udowodniono istnienie systematycznego wpływu polarnego rozpuszczalnika na konformację pierścienia furanozowego. Wpływ ten objawia się wygenerowaniem barier energetycznych o wysokości 3-7 kJ/mol zlokalizowanych na konformerach OE oraz EO. Efekt ten jest niezależny od obecności lub braku podstawników pierścienia i przyczynia się do szerokiej stosowalności tzw.
Adsorpcja Nanocząstek Magnetycznych i Wymuszone Zmiany Strukturalne
Adsorpcja nanocząstek magnetycznych na powierzchniach nanorurek węglowych wraz z analizą procesów magnetycznie wyzwalanej desorpcji/odrywania. Procesy te mają znaczenie w obszarze projektowania inteligentnych nośników leków które w odpowiedzi na czynnik wyzwalający (tj. zewnętrzne pole magnetyczne) zmieniają strukturę molekularną i są w stanie uwolnić cząsteczki leku w określonym miejscu i czasie.
Dynamika oraz termodynamika przejść konformacyjnych (typu krzesło 1C4 ↔ krzesło 4C1) w cząsteczkach wybranych cukrów, zbudowanych z sześcioczłonowych pierścieni (heksopiranoz). Konformacja pierścienia w cząsteczkach węglowodanów heksopiranozowych jest jednym z centralnych zagadnień glikobiologicznych.
Konformery pierścieniowe determinują biologiczną funkcję i aktywność węglowodanów a dynamiczna równowaga pomiędzy poszczególnymi konformerami reguluje m.in. makroskopowe właściwości hydrodynamiczne policukrów. Z uwagi na ekstremalnie wysokie bariery energii swobodnej oddzielające stany odpowiadające poszczególnym konformerom, większość badań jest skupionych na szczegółowym opisie profili energii swobodnej, przy zaniedbaniu opisu cech dynamicznych procesu deformacji pierścienia. Nasze badania, oparte o zastosowanie metody transition path sampling mają na celu m.in.
Badanie reakcji mutarotacji węglowodanów, która jest jednym z fundamentalnych procesów, istotnych z punktu widzenia wielu różnych dziedzin chemii oraz biochemii. Pomimo bycia „podręcznikową” reakcją chemii organicznej, pewne szczegóły mutarotacji ciągle nie są w pełni poznane.
Badania teoretyczne dotyczą różnego typu zmian (np. Adsorpcja białek globularnych na powierzchniach biokompatybilnych. Analiza warstw adsorpcyjnych z zastosowaniem precyzyjnych metod bezznacznikowych takich jak mikrowaga kwarcowa z dyssypacją energii (QCM-D) oraz powierzchniowy rezonans plazmonów (MP-SPR). Wyznaczenie kinetyki adsorpcji, zmian konformacji, stopnia odwracalności procesu adsorpcji oraz stabilności warstw białkowych. Skorelowanie wyników eksperymentalnych z metodami teoretycznymi.
Opracowanie modelu magnetycznie sterowanego nanopojemnika molekularnego, który umożliwia kontrolowane dostarczenie i uwolnienie leku (cisplatyna). W oparciu o modelowanie z użyciem metod Monte Carlo i Dynamiki Molekularnej wyznaczono zakresy parametrów, w których nanopojemnik wykazuje pożądane właściwości.
Głównym czynnikiem odpowiedzialnym za właściwe działanie nanopojemnika jest profil energii całkowitej towarzyszący procesowi zamykania/otwierania. Energia ta jest funkcją: oddziaływań dyspersyjnych pomiędzy nanocząstką magnetyczną a nanorurką, materiału powłoki nanocząstki magnetycznej i jej parameterów magnetycznych oraz rozmiaru nanocząstki i średnicy nanorurki. Stanem podstawowym nanopojemnika jest stan zamknięty. Otwarcie zachodzi wyłącznie wskutek oddziaływania z zewnętrzn...
tags: #jonizacja #wody #biochemia #definicja
