Adsorpcja

 

GŁÓWNE TEMATY BADAŃ

Zainteresowania badawcze grupy koncentrują się wokół znaczenia i wpływu zjawiska adsorpcji na właściwości układów o istotnym potencjale aplikacyjnym lub/i biomedycznym. Jak również układów modelowych pozwalających na zrozumienie wpływu fundamentalnych czynników mikroskopowych na obserwowane właściwości makroskopowe.

Aktualne badania prowadzone w grupie:

  • Jednym z najnowszych 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. 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. inteligentnych nośników leków.
  • Prowadzone są również badania teoretyczne (metody: EGO, SEGO) właściwości mechanicznych i zmian strukturalnych zachodzących pod wpływem sił zewnętrznych dla różnych układów molekularnych. Prace dotyczą głównie cząsteczek mechanoforów, które mogą reagować na bodźce mechaniczne i zmieniać barwę podczas rozciągania/kompresji. Układy takie posiadać mogą właściwości samonaprawcze i mogą być wykorzystywane jako mechanosensory. Celem badań jest zaproponowanie możliwych mechanizmów wymuszonych zmian strukturalnych w takich układach.
  • 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: (i) węglowodany zawierające zjonizowane, sprotonowane lub estryfikowane grupy karboksylowe (uroniany, w szczególności: pektyny oraz alginiany); (ii) węglowodany zawierające pierścienie furanozowe (monomery furanoz, np.: ryboza i arabinoza; dimery, np.: sukroza oraz oligomery, tzw. fruktany). Oprócz opracowywania, testowania oraz walidacji nowozaprojektowanych pól siłowych, symulacje przeprowadzone z użyciem finalnych parametrów oferują wgląd w szereg zjawisk zachodzących na poziomie molekularnym z udziałem badanych związków.
  • Prowadzone są również badania wykorzystujące metody chemii kwantowej w celu wyjaśnienia wybranych aspektów dotyczących: (i) efektów stereoelektronowych w cząsteczkach furanoz; (ii) równowagi anomerycznej, tautomerycznej oraz konformacyjnej w cząsteczkach mono-, di- i oligosacharydów zawerających zarówno jednostki piranozowe jak i furanozowe.

 

GŁÓWNE OSIĄGNIĘCIA

  • Izolowana forma struktury i-motif składa się z minimum 22 zasad azotowych o sekwencji (CCCTAA)3CCCT. 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. Przeprowadzone obliczenia wskazują na to, że w środowisku fizjologicznym, gdzie dochodzi do deprotonacji cytozyn, i-motif ulega spontanicznemu rozpadowi w kierunku nieuprządkowanej struktury hairpin bądź random coil.

Rys.1 Rozpad struktury i-motif w kierunku random coil wskutek deprotonacji cytozyn w pH neutralnym.

 

 

  • Zupełnie inna sytuacja ma miejsce gdy i-motif tworzy się w obrębie duplexu zaś w komplementarnej, bogatej w guaninę nici DNA tworzy się lub istnieje G-quadruplex. Przeprowadzone obliczenia wskazują jednoznacznie, że nawet w pH fizjologicznym i po całkowitej deprotonacji cytozyn, i-motif nie ulega spontaniczneu rozpadowi. Dochodzi jedynie do pewnego rozluźnienia struktury przestrzennej i pękania wiązań wodorowych w obrębie par Hoogsteena. Jednakże struktura przestrzenna i-motif pozostaje nadal zachowana i rozpad i-motif w kierunku hairpin lub random coil wymaga przezwyciężenia znacznych barier energetycznych rzędu 70 kJ/mol.

Rys. 2. Potencjał średniej siły wyznaczony dla wymuszonego rozpadu struktury i-motif w pH neutralnym.Obecność komplementarnej struktury G-quadruplex prowadzi do stabilizacji i-motifu również w warunkach pH fizjologicznego.

 

  •  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. Obecnie trwają badania nad oddziaływaniem G-quadruplexu i i-motifu z nanorurkami węglowymi. Głównym celem tych badań jest zweryfikowanie opisywanego w literaturze stabilizującego wpływu funkcjonalizowanych, jednościennych nanorurek węglowych na strukturę i-motif.
  • Aktywacja cząsteczki mechanoforu (często zlokalizowanego wewnątrz sieci polimeru) następuje poprzez rozerwanie wiązań kowalencyjnych. Powoduje to emisję fluorescencyjną, która może sygnalizować zbliżające się uszkodzenie materiału. Z tego powodu takie systemy (polimery wzbogacone cząsteczkami mechanoforów) mogą działać jako specyficzne czujniki i potencjalne materiały samonaprawiające. Ze względu na różne możliwe zastosowania, mechanofory są obecnie intensywnie badane. Większość reagujących na działanie sił układów polimerowych opiera się na cząsteczce spiropiranu. Ten bezbarwny mechanofor można poddać 6-π elektrocyklicznej reakcji otwierania pierścienia, któremu towarzyszy zmiana barwy (patrz Rys. 3)


Rys.3 Wymuszona siłami zewnętrznymi konwersja spiorpiran →merocyjanina

 

  • Mechanizm fotoindukowanej konwersji spiropiran-merocyjanina został dokładnie opisany metodami eksperymentalnymi i teoretycznymi. Jednak mechanizm takiej konwersji indukowanej przez siły zewnętrzne pozostaje dotąd mało zbadany. Zaproponowaliśmy możliwy mechanizm wymuszonej reakcji (Rys. 3) uzyskany w ramach podejścia EGO (ang. Enforced Geometry Optimization). Ścieżkę wymuszonej optymalizacji geometrii, tj. zmiana energii vs cykl optymalizacji dla wybranej siły rozciągania (f = 0,070 a.u) pokazano na Rys.4.

 Rys. 4 Historia optymalizacji geometrii dla wybranej siły rozciągającej f=0.070 a.u.

 

  •  Chociaż przedstawiona na Rys. 4 historia optymalizacji cząsteczki nie jest formalną ścieżką reakcji, może dostarczyć cennych informacji na temat wymuszonego przez siły rozciągające procesu i może być przydatna do lokalizacji niektórych punktów stacjonarnych (stanów przejściowych i minimów) na powierzchni energii potencjalnej (PES). Podczas rozciągania układu energia molekularna wzrasta osiągając maksimum (cykl 42), a następnie maleje (minimum w 60. cyklu). Ponowna optymalizacja (bez sił) struktury odpowiadającej cyklowi 60 prowadzi do stabilnego (zweryfikowanego przez analizę wibracyjną) minimum. Najwyższa energetycznie struktura (cykl 42) natomiast została przyjęta jako punkt startowy w procedurze poszukiwania stanu przejściowego. Jego istnienie zostało potwierdzone również za pomocą analizy wibracyjnej.
  • 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. Opracowane pola siłowe należą do rodziny GROMOS, są kompatybilne z modelem wody SPC oraz istniejącymi już zestawami parametrów (od wersji 53A6 wzwyż, włącznie z zestawem 56A6CARBO dla piranoz).
  • Stworzenie ilościowego opisu wpływu pH na konformacyjne stopnie swobody w cząsteczkach uronianów. Wartość pH wpływa w stopniu znaczącym na rotację egzocyklicznego podstawnika karboksylowego, w zależności od rozpatrywanego związku może wpływać na właściwości inwersyjne pierścienia, w niewielkim stopni wpływa na konformację wiązania glikozydowego i nie wpływa na konformację grupy laktolowej.
  • 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. antyrównoległa) wykazują szereg istotnych różnic, które mogą być interpretowane w kontekście agregacji zachodzącej w większej skali.
  • 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. two-state model, używanego przy analizie danych NMR.

 

 

Zakończone tematy badawcze

  • 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. Tym samym szczegółowym badaniom poddawane są oddziaływania typowych cząsteczek terapeutycznych z nanorurkami węglowymi, różnego typu ligandami modyfikującymi właściwości adsorpcyjne nanorurek węglowych jak też i efekty związane z anizotropią magnetyczną i odwróceniem magnetyzacji nanocząstek magnetycznych.
  •  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. uzupełnienie tego braku.
  • 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. W ramach projektu planujemy przeprowadzić szczegółowe badania teoretyczne, zgodnie z protokołem dynamiki molekularnej w oparciu o potencjały oddziaływań ab initio połączone z klasycznymi polami siłowymi (QM/MM, quantum mechanics/molecular mechanics), co oznacza, że część układu (cząsteczka glukozy oraz cząsteczki wody biorące bezpośredni udział w reakcji -- katalizujące ją) modelowane są z dokładnością mechaniki kwantowej; pozostała część -- klasycznej mechaniki molekularnej (model wody TIP3P dla reszty środowiska wodnego).
  • Wymuszone zmiany strukturalne w molekułach. Badania teoretyczne dotyczą różnego typu zmian (np. przejść konformacyjnych, izomerii cis-trans, przegrupowań wewnątrzcząsteczkowych itp.) wywołanych przez siły zewnętrzne w cząsteczkach o znaczeniu biologicznym.
  • 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. Określenie mechanizmu adsorpcji białka z zastosowaniem pełno atomowej dynamiki molekularnej (MD), wyznaczenie najważniejszych aminokwasów rządzących adsorpcją oraz zaproponowanie mechanizmu dyfuzji na modelowej powierzchni (z podaniem barier energetycznych) wybranego białka.
  • Adsorpcja jonów prostych i jonów surfaktantów na granicach faz tlenki/roztwór elektrolitu (ze szczególnym uwzględnieniem entalpii adsorpcji i efektów niejednorodności energetycznej powierzchni),
  • Kinetyka adsorpcji i adsorpcja równowagowej gazów na energetycznie i geometrycznie  niejednorodnych ciałach stałych (także termodesorpcji)
  • Adsorpcja w zeolitach i adsorpcja z mieszanin gazowych. 

 

Główne osiągnięcia w zakończonych tematach badawczych:

  • 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 zewnętrznym polem magnetycznym, przy czym nanocząstki magnetyczne muszą wykazywać wysokie wartości bariery anizotropii magnetycznej. Uwalnianie leku (cisplatyny) zachodzi według mechanizmu aktywowanej dyfuzji jednowymiarowej. Wykazano, że jest to mechanizm dwuetapowy oraz wyprowadzono proste równanie analityczne pozwalające na przewidzenie szybkości uwalniania cisplatyny z wnętrza nanopojemnika dla długich czasów.
  • Badania zmian konformacyjnych w pierścieniach glukopiranoz skupione były na cząsteczkach α-D- i β-D-glukopiranozy (odpowiednio, GlcA i GlcB), zanurzonych w środowisku wodnym i traktowanych jako układy modelowe. Wyniki pozwoliły na:
    -zidentyfikowanie odrębnych minimów lokalnych energii swobodnej, odpowiadających stanom przejściowym dla zmiany konformacyjnej 4C1 1C4;
    -przypisanie charakterystyki czasowej do ww. zmiany oraz stanów przejściowych;
    -przeprowadzenie poszukiwań optymalnej współrzędnej reakcji 4C11C4, opartych na procedurze Petersa-Trouta.
    Dodatkowo, struktury odpowiadające stanowi przejściowemu reakcji 4C11C4 (TS) zostały zidentyfikowane i poddane analizie. Wbrew oczekiwaniom, okazało się, że dynamika wody nie ma większego wpływu na prawdopodobieństwo ewolucji struktur będących TS dla GlcA do 4C1 lub 1C4. Odmienne rezultaty otrzymane dla GlcB (tj. znaczny wpływ dynamiki wody na zachowanie TS oraz słaba stosowalność procedury Petersa-Trouta) przemawiają za nieco innymi mechanizmami rządzącymi deformacją pierścieni GlcA i GlcB, prawdopodobnie z większym wkładem 'dyfuzyjnego' błądzenia układu po krajobrazie energii swobodnej w przypadku GlcA.
    Wyniki stanowią istotny wkład do zrozumienia mechanizmów zmian konformacyjnych w pierścieniach węglowodanów na poziomie molekularnym. Ponadto, zmodyfikowane algorytmy TPS mogą zostać użyte do badań przejść konformacyjnych innego typu w zbliżonych właściwościami układach.
  • Mikroskopia sił atomowych (AFM) jest dogodną metodą do badania mechanicznej/konformacyjnej stabilności biomolekuł na poziomie pojedynczej cząsteczki. Właściwa interpretacja eksperymentalnych krzywych FC (ang. force-extension) pozostaje nadal zadaniem trudnym. Metody i symulacje teoretyczne (takie np. jak model EGO (ang. Enforced Geometry Optimization) mogą być pomocne w analizie właściwości mechanicznych cząsteczek. Badania eksperymentalne dotyczące zmian konformacyjnych wywołanych przez siły zewnętrzne w cząsteczkach kwasu α-D-galakturonowego wskazują, że przejście konformacyjne 4C11C4 zachodzi poprzez konformacje skręconej łódki. Symulacje EGO prawidłowo odtwarzają ten doświadczalny trend. Wyniki uzyskane w ramach modelu EGO są zasadniczo zgodne z opisem mechanizmu w/w przejścia konformacyjnego uzyskanym w ramach dynamiki molekularnej i obliczeń tzw. ograniczonej optymalizacji geometrii (ang. constrained geometry optimization). Model EGO przewiduje trzy możliwe trwałe przejścia konformacyjne w rozważanych oligomerach kwasu α-D-galakturonowego (do heksameru). Rodzaj przejścia konformacyjnego generalnie zależy od położenia danej jednostki (meru) w łańcuchu oligosacharydu.
  • Struktura i Właściwości Warstw Białkowych: od Biomolekuły do Funkcjonalnej Warstwy. Określono mechanizm adsorpcji lisozymu na powierzchni miki oraz krzemu. Przeprowadzono analizę zmian konformacji oraz reorganizacji struktury białka. Zastosowano precyzyjne metody charakterystyki objętościowej (DLS, lepkość dynamiczna, ruchliwość elektroforetyczna) do badań zachowania białka w roztworach wodnych. Do wyznaczenia struktury warstw białkowych tworzonych na powierzchniach biokompatybilnych wybrano mikrowagę kwarcową z dyssypacją energii (QCM-D) oraz powierzchniowy rezonans plaznonów (MP-SPR). Wyznaczono korelacji pomiędzy gęstością i strukturą warstw białkowych na powierzchniach adsorpcyjnych a własnościami białka w roztworze. Do modelowanie adsorpcji białka zastosowano metodę pełno atomowej dynamiki molekularnej (MD). Wytypowano najważniejsze aminokwasy, siły rządzące adsorpcja oraz zaproponowano mechanizm dyfuzji na powierzchni (z podaniem barier energetycznych).

Rys.5. Efektywność adsorpcji lisozymu na powierzchni miki. Projekt realizowany we współpracy z Department of Chemical and Process Engineering, University of Strathclyde, Glasgow United Kingdom

Odwracalny Proces Pęcznienia Dendrymerów PAMAM Przeprowadzono badania dostarczające wiarygodnych dowodów eksperymentalnych, iż proces pęcznienia dendrymerów G6 PAMAM jest odwracalny. Ponadto, wykazano, że proces ten jest głównie regulowany przez kondensację przeciwjonów na powierzchni czasteczki dendrymeru. Ustalenia te mają cenny wgląd we własności fizykochemiczne dendrymerów i są wyzwaniem dla dalszych badań zarówno teoretycznych jak i eksperymentalnych, w szczególności, do oceny stopnia penetracji wody i przeciwjonów do cząsteczek dendrymeru, w różnych warunkach pH, siły jonowej oraz typu elektrolitu. Wyniki te maja również praktyczne znaczenie, ponieważ wskazują, że ​​dendrymery mogą być stosowane jako nośniki leków. Stymulując konformacyjną zmianą indukowaną w cząsteczce dendrymeru przez zmianę pH lub siły jonowej, może uwalniać lek z cząsteczki nośnika.

Rys. 6. Proces pęcznienia 6t-tej generacji dendrymerów poli (amidoaminowych) ( PAMAM)

  • opracowano ilościowy opis efektów entalpowych towarzyszących procesowi adsorpcji jonów prostych na granicy faz tlenek/roztwór elektrolitu
  • w oparciu o Scaled Particle Theory opracowano ilościowy opis adsorpcji surfaktantów na granicy faz ciało stałe/ciecz oraz gaz/ciecz. Ten model teoretyczny jako jedyny umożliwiał jednoczesny ilościowy opis izoterm adsorpcji i towarzyszących efektów entalpowych.
  • w oparciu o Statystyczną Teorię Transportu (SRT) opracowano modele kinetyki adsorpcji gazów na energetycznie niejednorodnych powierzchniach ciał stałych. Udowodniono, że szereg równań empirycznych stosowanych do kinetyki adsorpcji może być bezpośrednio wyprowadzony na bazie Statystycznej Teorii Transportu. Wykazano też, że złożone zależności współczynników przyklejenia w funkcji stopnia pokrycia mogą być wyjaśnione w oparciu o SRT bez konieczności wprowadzania koncepcji tzw. precursor states.
  • wykazano, w oparciu o teorię fraktalną, że istnieje związek pomiędzy niejednorodnością energetyczną powierzchni a jej strukturą geometryczną. Pozwala to na zdefiniowanie prostych zależności pomiędzy funkcją rozkładu energii adsorpcji a rozkładem objętości porów



 

antiestrogensonline.net

bestabortionpillsonline.com