Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Физика, Нанотехнологии, Электроника
Размещена 26.02.2020. Последняя правка: 28.03.2020.
Просмотров - 625

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕСС ИММБОЛИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ

Нематов Дилшод Давлатшоевич

кандидат технических наук

Таджикский технический университет, имени академика М.С. Осими

Ассистент, кафедры физики

Аннотация:
В работе исследована весьма актуальная на сегодняшний день задача - процессы взаимодействия и иммболизации (физических адсорбций) биологических молекул с тонкими пленками и наночастицами. В качестве исследуемых объектов были выбраны стандартные В-формы молекулы ДНК (двойная спираль ДНК, предложенная Уотсоном и Криком), а также тонкие пленки из наночастиц диоксида циркония (ZrO2).Результаты МД-расчеты демонстрированы в виде оценки временной зависимости изменение дистанции (D[ДНК(Pa, Pb)-ZrO2(O)]) между двух выбранных атомов фосфора (Pa и Pb) молекулы ДНК и выбранный атом кислорода от поверхности ZrO2. В рамках наших модельных расчетах атомов Pa и Pb были отмечены как возможных точках повреждения из-за влияния внешнего излучения. Показано, что происходить наиболее сильный контакт между ДНК и поверхностью ZrO2 на расстоянии около 1.5 нм, когда под влиянием внешнего излучения, оба выбранных радиационноиндуцированных зарядов (атомов) станут отрицательно-заряженными ионами.


Abstract:
In the present work, very urgent tasks of today are investigated - the processes of interaction and immobilization (physical adsorption) of biological molecules with thin films and nanoparticles. The standard B-forms of the DNA molecule (double helix of DNA proposed by Watson and Crick), as well as thin films of ZrO2 were chosen as the studied objects.The results of the MD calculations are shown as an estimate of the time dependence of the change in the distance (D [DNA (Pa, Pb) -ZrO2 (O)]) between two selected phosphorus atoms (Pa and Pb) of the DNA molecule and the selected oxygen atom from the ZrO2 surface. In our model calculations, Pa and Pb atoms were marked as possible damage points due to the influence of external radiation. It was shown that the strongest contact occurs between DNA and the ZrO2 surface at a distance of about 1.5 nm, when, under the influence of external radiation, both selected radiation-induced charges (atoms) become negatively charged ions.


Ключевые слова:
молекула ДНК; конформация ДНК; иммболизация ДНК на поверхности; гибридные методы; молекулярно-динамические моделирования; кванто-химический расчеты; теории функционала плотности (ТФП); нанотехнологии; диоксид циркония

Keywords:
DNA molecule; DNA conformation; surface immobilization of DNA; hybrid methods; molecular dynamics simulations; quantum chemical calculations; density functional theory (DFT); nanotechnology; zirconium dioxide


УДК 538.9:538.94

        1. Введение

   При взаимодействии ДНК-подобных биологических молекул с поверхностью твердых тел происходит иммболизация и соответственно структурный фазовый переход молекулы. Очевидно, что при изменении конформаций (структуры) ДНК и других биологических молекул происходит сильное изменение в переносе и транспортировке электрических зарядов (проводимость) через них. При этом сообщается, например, о широком диапазоне в свойствах молекулы ДНК, как полупроводника, сверхпроводника и даже широкозонного диэлектрика [1, 2] в зависимости от формы существования.
   Сочетания ДНК - подобных биомолекул с твердыми наночастицами (поверхностями) создают новый класс материалов для перспективного развития молекулярной электроники, в первую очередь для создания новых электронно-сенсорных и оптических систем, биочипов, массивов памяти в компьютерных архитектурах будущего и т.д. В настоящее время нано- и био-электроника стремительно развивается. Следовательно, междисциплинарные исследования в области нано-био-технологии имеют прорывной потенциал, и основные надежды здесь связаны с нано-размерными технологиями, с новыми физическими, химическими и биологическими явлениями, происходящими на атомно/молекулярном уровне.
     Молекула ДНК обладает хорошей электропроводностью, которая способна хранить и передавать путем копирования терабайты информации, сохраняя свои самовоспроизводящиеся свойства ДНК, чрезвычайно интересна как функциональный элемент биоэлектронных устройств [3, 4]. Это способности ДНК являются весьма эффективным при создании молекулярных устройств функциональных биочипов и биомашин, таких как ДНК-компьютеры.  Например, вычислительные мощности ДНК-компьютера с логическими ДНК-элементами намного больше, чем до сих пор существующие в мире суперкомпьютеры. Замечательно, что более 10 триллионов молекул ДНК могут уместиться на площади около 1 кубического сантиметра (0,06 кубического дюйма). С этим небольшим размером ДНК-компьютер сможет хранить 10 терабайт данных и одновременно выполнять 10 триллионов вычислений [5]. Представить нетрудно, что большее количество ДНК может выполнять большее количество объема вычислений. Однако размещение с такой огромной плотностью требует сверхмалого рассеяния мощности на каждом работающем устройстве. По этому предполагается, что лишь сверхпроводящие устройства могут удовлетворить этим требованиям. Для конструирования молекулярных электронных устройств необходимо научиться «управлять» молекулами, позиционировать их в заданном месте подложки с необходимой ориентацией. Поэтому на сегодняшней день весьма актуальным является изучение процессов иммболизации молекул ДНК на твердых и оксидных поверхностях, полупроводников и диэлектрических материалах, с целью исследования молекулярной ориентации и всевозможных радиационных повреждений ДНК. Более того, для каждой индивидуальной биомолекулы, используемой в конкретном технологическом процессе необходимо подбирать оптимальные варианты как носителя, так и условий, и способов иммболизации.
     Существуют физические иммболизации (без возникновения ковалентных связей между биологическими молекулами и носителем) и химические (с образованием ковалентной связи между ними) методы иммболизации биомолекулы на поверхности твердых тел.

          В данной работе процесс иммболизации ДНК на поверхности ZrO2 исследуется именно с точки зрения физической иммболизации (адсорбция), поскольку процесс взаимодействия в системе ДНК/ZrO2 происходит без возникновения радикалов и ковалентных связей между ДНК и ZrO2. Целью работы явилось моделирование процессов иммболизации и конформационное превращение нативных (диких) и мутантных (поврежденных, попавших в радиацию) версий молекулы ДНК при взаимодействии с поверхностью ZrO2 комбинированными молекулярно-динамическими (МД) и кванто-химическими методами.

    Иммболизация ДНК на поверхности диэлектрических кристаллов, диоксида циркония в том числе может привести к насыщению и разрыву связей путем образования локальных химических связей на поверхности, где происходит локализация захваченных электронов. Собственно, на границах диэлектрических и полупроводниковых оксидных материалов, и ДНК может произойти перекачка электронной плотности с участием определенного количества поверхностных атомов. Однако адсорбция является наиболее простым методом, она практически не требует подготовки компонента сенсора и использования специальных химических реагентов. При физической адсорбции частицы удерживаются на подложке под действием сил Ван-дер-Ваальса, которые по своей природе делятся на диполь-дипольные, индукционные и дисперсионные взаимодействия, а также под действием водородных и ионных связей. Полученные методом адсорбции элементы обычно характеризуются низкой чувствительностью и существенной зависимостью от температуры и pH. Низкая чувствительность элементов, полученных адсорбцией белков, объясняется тем, что при адсорбции меняется конформация макромолекулы или же блокируются ее активные центры. Кроме того, биологический материал может десорбироваться, уменьшая чувствительность системы и загрязняя раствор. Методом адсорбции пользуются, в основном, на стадии исследований и для производства дешевых одноразовых элементов. В данном аспекте различные гетеропереходы, такие как биологические молекулы плюс широкополосные нано-размерные диэлектрики являются чрезвычайно интересными объектами из-за возможностей прямого управления полей и зарядовых переносов, и, как следствие, функционального состояния биомолекул посредством емкостной связи. В подобных структурах биологически активные функциональные слои могут оставаться автономными в требуемой биологической среде.

   Диоксид циркония (ZrO2) благодаря своей хорошей биосовместимости (нетоксичного адсорбера биомолекул) представляет собой перспективный материал в качестве адсорбера молекулы ДНК. Следует отметить, однако, что вопросы взаимодействия ДНК с названным материалом (ZrO2) все еще находятся в стадии изучения [3, 6 - 7]. Еще одним неоспоримым достоинством цирконыевых керамик можно назвать невосприимчивость к радиации. Это свойство также присутствует и сохраняется в тонких пленках ZrO2. То ест, при облучении системы ДНК+ZrOповреждение происходить только в структуре молекулы ДНК, а пленок ZrOнепочуствует даже малейщего повреждения. На этой основе в работе поставлена цель - исследовать биологически модифицированные структуры на основе диоксида циркония, сопряженные с процессами иммболизации нативных и радиационно-поврежденных версий молекулы ДНК на указанной поверхности, с последующими количественной и качественной оценками конформационных изменений ДНК на поверхности диоксида циркония. 

            2.Методика исследования

            В работе был применен наиболее адекватный инструмент - гибридный метод, сочетающий в себе МД и кванто-химические (КХ) методы исследования. Моделирование гибридной квантовой химии / молекулярной динамики (QCh / MD) значительно расширяет область квантово-механических расчетов для гораздо более крупных систем. С использованием гибридных МД потенциалов классической молекулярной механики и квантовой химии для ДНК, сольватированной в водной среде, изучено взаимодействие ДНК+ZrO2. Суть использования гибридных методов при исследовании белково-поверхностных систем заключается в том, что МД-методы используются при исследовании процесса иммболизации (тесного контакта) ДНК на поверхности ZrO2, который происходит за счет межмолекулярных (Ван-дер-Ваальсовых и электростатических) взаимодействий в системе. Однако подобные процессы зависят от электронно-энергетических характеристик адсорбируемой подложки (ZrO2), свойства которой моделируются в рамках методов и приближений квантовой химии для группировки материалов на металлических, полупроводниковых и диэлектриках.

        2.1.  Метод МД-моделирования

    Молекулярная динамика (МД) является важным вычислительным инструментом для понимания физических основ структуры, динамического развития системы и функции биологических макромолекул. Метод МД-моделирования для исследования белковых-поверхностных систем, таких как ДНК+ZrOвключает в себя все межатомные (внутримолекулярные) и межмолекулярные взаимодействия со стандартными потенциалами из молекулярной механики (ММ) и квантовой химии, как суммы двух, трех- и четырехатомных членов.  Принципиально МД использует уравнения движения Ньютона для определения суммарной силы и ускорения, испытываемого каждым атомом, из которого он моделирует эволюцию во времени набора взаимодействующих атомов. Атом-атомные взаимодействия включают химические связи, гармонические углы и торсионные (дигедральные) кручения двугранных углов (Рис. 1).

   Рис. 1. Виды и формы связанных и несвязанных взаимодействий тройной системы ДНК + ZrO2 согласно принципов ММ (атомы изображаются как набор шариков, а стержени — имитируют межатомную связь — потенциалы силового поля)  

Рис. 1. Виды и формы связанных и несвязанных взаимодействий тройной системы ДНК + ZrO2 согласно принципам ММ (атомы изображаются как набор шариков, а стержни имитируют межатомную связь — потенциалы силового поля) 

   На этой основе полная энергия системы (total energy) с учетом связанных и несвязанных составляющих согласно принципам ММ описывается как:


     Энергия связанных внутримолекулярных сил определяется как:

     Дальнодействующее несвязанное (non bonding) взаимодействие включает Ван-дер-Ваальсовые (ВдВ) взаимодействия посредством потенциала Леннарда-Джонса (Л-Дж), а также электростатические потенциалы зарядов в системе: 

 Таким образом, полная энергия взаимодействия элементов системы задается как:

      
   Водородные связи (UH) возникают и исчезают в процессе движения атомов, которые имеют электростатическую природу, поскольку радиус иона Н+ на порядок меньше, чем у других ионов. Функциональный вид всех составляющих представлен в табл. 1.

Таблица 1. Виды и форма взаимодействия в системы ДНК+ZrO2

Форма взаимодействия

Описание

Основные параметры

  

потенциал химической связи 2-х атомов

Kb- эффективная жесткость валентной связи; - длина связи; b0 - равновесная длина связи.

 

    потенциал валентных углевых связей 3-х атомов

θ0 - эффективная упругость валентного угла; Kφ -значение валентного угла;  - равновесное значение валентного угла;

 

 

потенциал       торсионных колебаний 4-х атомов

– высота барьера свободной энергии, n - целое число, определяющее периодичность потенциала (количество минимумов в интервале [0, 2π], a δ – равновесное значение торсионного угла;

     

ВдВ-взаимодействия типа Л-Дж, (12-6)

где  σ - эффективный диаметр атома;  ε – глубина потенциальной ямы;

  

потенциал водородных  связей (Л-Дж типа (12- 10))

   

   

дальнодействующий электростатический потенциал заряженных ионов

 qi и qj – частичные заряды атомов i и j, ε (rij ) – зависящая от расстояния функция диэлектрической проницаемости среды, а ε0 – диэлектрическая постоянная

    Для оксидных поверхностей, например ZrO2, мы воспользуемся потенциалом Букингема (buck),

где A – амплитуда, ρ – эффективный радиус взаимодействия.

     Следует особо остановиться на потенциалах парного несвязанного (Кулоновского, и Ван-дер-Ваальсового) при описанию дисперсионного и электростатического взаимодействия в системе:



 
Для определения σijεij –параметров ВдВ взаимодействия между атомами различного сорта было использовано комбинационное правило Лоренца-Бершелота:

      Расчет электростатика в системе является весьма затруднительной задачей, но в настоящее время этот метод является одним из наиболее точных в МД–моделировании посредством внедрения дорогостоящих специализированных МД-машин (чипы и материнские платы).  Для суммирования электрических взаимодействий между ДНК и подложкой был использован метод Эвальда, который считается одним из самых достоверных приближений и имеет способность быстрого вычисления сумм Эвальда. 

   В общем, определение σijεij и других потенциальных параметров системы является самостоятельной задачей. Для определения и расчета всех межатомных и межмолекулярных параметров был использован пакет многоцелевого назначения DL_POLY.

    Ниже представлены все рассчитанные потенциальные параметры молекулярной системы ДНК + H2O + ZrOв таблицах 2-4.

Таблица 2. Параметры межмолекулярных (Л-Дж и электростатический) потенциалов  системы ДНК+ZrO2

Пары A,Å12 kcal/mol   B,Åkcal/mol Пары A,Å12 kcal/mol B,Åkcal/mol Атом Масса Заряд(*е)
С-С  1171340  667.5 P-P  8350780  3369.4 Р3

30.97380 

+1.1659(-1.1659) 

С-P  3145970  1481.6  P-O 1476420 

1016.6

О2   15.99940 -0.7761(-0.56990) 
С-O 535958  452.2  P-N 1985180   1117.9 О3   15.99940  -0.4954(-0.36910)
С-N 730530  500.7  N-N 450301   373.4

 1.00800      +0.0754(+0.11760)
O-O 232116  198.1  N-O 325886   334.9 ---  ---  --- 


Таблица 3.
 Параметры внутримолекулярного взаимодействия модели ДНК

U(r) = k(rr0)2/2

Связь

k

r0

                                             O – H

                                         300

                                              1.724

U(θ) = Kθ (θθ0)2/2

Bonds

Kθ

θ0

Bonds

Kθ

θ0

O-P-O

P-O-C

C-O-C

N-C-N

N-C-C

N-C-H

C-N-C

O-C-C

C-C-C

O-C-N

100.33

106.70

106.70

133.33

133.33

133.33

133.33

133.33

133.33

133.33

93.300

104.510

104.510

120.000

120.000

120.000

120.000

120.000

120.000

120.000

C-N*-C

C-N-H

O-C-H

H-C-H

O-C-C

H-C-C

C-C-C

O-C-N

H-C-N

C-C-N

109.00

109.00

112.50

112.50

112.50

112.50

112.50

112.50

112.50

112.50

106.700

106.700

109.471

109.471

109.471

109.471

109.471

109.471

109.471

109.471

 

U(φ ) = Kφ[1+cos(nφ – δ)]

Bonds

Kφ

δ

n

Bonds

Kφ

δ

n

Bonds

Kφ

δ

n

Bonds

Kφ

δ

n

P-O-C-H

0.3333

0

3

C-C-C-N

0.1250

-180

6

N-C-N-H

2.5000

180

2

C-N-C-N

0.1667

-180

2

P-O-C-C

0.3 333

0

3

C-N-C-N

0.1250

-180

6

H-N-C-N

2.5000

-180

2

O-C-N-C

0.1667

-180

2

C-O-C-H

0.3 333

0

3

H-C-N-C

0.1250

-180

6

C-C-N-H

11.250

-180

2

H-C-N-C

0.1667

-180

2

C-O-C-N

0.3 333

0

3

N-C-N-C

0.1250

-180

6

C-C-N-C

11.250

-180

2

C-C-N-C

0.1111

0

3

C-O-C-C

0.3 333

0

3

N-C-C-H

0.1250

-180

6

O-C-N-H

5.6250

-180

2

H-C-C-H

0.1111

0

3

C-O-P-O

0.5000

0

3

N-C-C-C

0.1250

-180

6

O-C-N-C

5.6250

-180

2

H-C-C-C

0.1111

0

3

C-N-C-C

2.5000

180

2

H-C-C-H

0.1250

-180

6

C-N-C-N

5.6250

-180

2

O-C-C-H

0.1111

0

3

N-C-C-O

2.5000

180

2

H-C-C-C

0.2500

0

3

C-N-C-H

5.6250

-180

2

C-N-C-N

0.2 500

0

3

N-C-C-N

2.5000

180

2

C-N-C-N

0.2500

0

3

N-C-N-H

0.1250

-180

6

O-C-N-C

0.1111

0

3

Таблица 4: Параметры потенциала Букингема, используемые при МД-моделировании ZrO2

Атомных пар

Функциональная форма 
A, kcal/mol ρ, Å C, Å6
i(Zr),  j (O)
33525.42 0.35 0
i(O),  j (O) 524.86 0.15 0

 

   На основе вышеописанных структур и приведенных параметров потенциалов реализованы множественные (multiple) МД-моделирования процессов взаимодействия и иммболизаций для молекулы ДНК, сольватированной водою, на поверхности диоксида циркония.

3. Кванто-химические методы моделирования на основе теории

функционала плотности (ТФП)

    Методы квантовой механики (КМ) и квантовой химии  (например, вычисления ab initio молекулярной орбитали или теории функционала плотности) могут быть использованы для изучения реакций для молекулярных систем, состоящих из сотен атомов. Биологические системы особенно сложны для методов ab initio квантовой механики из-за их больших размеров, однако вычисления на основе первых принципов теперь могут решать проблемы, представляющие большой биологический интерес, которые не могут быть решены другими средствами. В связи с этим для детального атомистического исследования биологической системы требуется знание ее электронной структуры. Теоретические методы оценки электронных свойств материалов позволяют изучать физические свойства и электронное строение вещества, не производя при этом никаких внешних воздействий. Основанный на квантово-химических расчетах теоретический подход исследования электронного строения, пленок и твердых тел, объединен под названием метода теории функционала плотности (ТФП). Важно отметить, что в настоящее время квантово-химические расчеты в рамках метода ТФП используются для изучения широкого круга теоретических и прикладных проблем в физике конденсированного состояния, биохимии и нанобиотехнологических исследованиях [8].

       Суть метода ТФП состоит в том, что полная энергия системы взаимодействующих частиц в заданном внешнем поле представляется как однозначный функционал, зависящий только от плотности частиц ρ(r), а электронная плотность является функцией координат электронов. Как правило, полная энергия взаимодействующих частиц определяется посредством решения многоэлектронного волнового уравнения Шредингера, функции, зависящей от 3N переменных [9]. Однако число решений волнового уравнения Шредингера экспоненциально растёт с числом электронов в атомах [10]. Например, для атома астата, содержащего 85 (к=85) электронов, число решений волнового уравнения Шредингера будет:

где здесь α и β являются произвольными константами. Следовательно, число решений уравнения Шредингера для атома водорода (k=1) будет:

      В общем решение волнового уравнения для систем с большего числа атомов (и соответственно электронов) представляется невозможным даже с применением самых высокоэффективных современных вычислительных машин. Поэтому для исследования электронных свойств ZrO2 нами был применен ТФП, в рамках которых проводятся квантово-химические расчеты. С учетом этого, уместно производить расчет электронной плотности, которая будет зависеть от трёх переменных (трёх координат) и не будет зависеть от размера молекулы. Первыми, кто указал решение данной проблемы и которые дали толчок развитию квантовой физики, были Э. Ферми и Л. Томас. Модель Томаса-Ферми реализует идею использования электронной плотности для вычисления атомной энергии и их энергий взаимодействия [11]. Недостатком модели Томаса-Ферми явилось то, что не учитывалось обменно-корреляционное взаимодействие. Некоторое время позже Хоэнберг и Кон предложили новую методику ТФП-расчетов, включив в нее энергию обменно-корреляционного взаимодействия, и за это в 1998 г. они были награждены Нобелевской премией. Согласно им, полная энергия основного состояния системы взаимодействующих электронов является функционалом от плотности электронов ρ(r)

       При этом полная энергия в рамках теоремы Хоэнберг и Кон имеет вид:

где, Ts[ρ(r)]- кинетическая энергия невзаимодействующих частицы, Eei[ρ(r)]- энергия кулоновского взаимодействия между электронами и ядрами (ядерно-электронное притяжение), Eee[ρ(r)] - энергия кулоновского взаимодействия между электронами (электрон-электронное отталкивание), Eii[ρ(r)]- отталкивающей кулоновской энергией неподвижных ядер, Exc [ρ(r)] - обменно-корреляционный функционал энергии.  

   Здесь самым сложным является учет обменной корреляции электронов. Для описания обменно-корреляционной энергии нами было использовано обобщенное градиентное приближение (GGA), предложенное Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [12]. Обобщенное градиентное приближение зависит от значения электронной плотности, а также градиента плотности и спина электрона в отдельной точке пространства, описывающей обменную корреляцию

где   εХС- обменная корреляционная энергия одной частицы.

     На основе двух теорем Хоэнберга и Кона, впервые Кон и Шем [13] предложили способ вычисления функционала плотности, имеющий вид:

      Уравнения Кона-Шема с учётом произвольной пробной функции принимает вид:


Таким образом, функционал плотности определяется как:


     Квантово-химические расчеты в рамках ТФП дают весьма удовлетворительное описание электронных свойств твердых тел.  Практическое применение ТФП обусловлено эффективной аппроксимацией обменно-корреляционного потенциала.  Обменно-корреляционный потенциал выражает эффекты принципа Паули и потенциала электростатического взаимодействия электронов. Согласно литературным данным в зависимости от функции электронной плотности результаты расчетов по методу ТФП целого ряда физико-химических параметров конденсированных сред в точности совпадают с экспериментальными данными [14, 15].

    Итак, метод ТФП представляет собой квантовый метод численного моделирования, используемый в физике, химии и материаловедении. При этом используется метод полного потенциала линейной присоединённой плоской волны (FP-LAPW), реализованного в программном коде Wien2k.

   Согласно опции пакет Wien2k квантово-химические расчеты в рамках ТФП выполняются на основе данных о кристаллической решетке вещества в виде сif-файлах. Скажем, данные о кристаллической решетке ZrOнами были взяты из базы данных сайта Materials Project, полученного и упакованного в результате разных экспериментальных методов, таких как X-Ray. На основе исходной информации о группе симметрии, пространственной группе и координатах атомов внутри кристаллической решётки (в .сif–файлах) код WIEN2k работает согласно схеме, представленной в [17]. В таблицах 5-6 представлены исходные данные для реализации расчетов. 

Таблица 5. Исходные данные ТФП-расчеты для ОЦК решетки ZrO2

Наименование

Группа симметрии Номер группа симметрии    Параметры решетки


Диоксид циркония (ZrO2)



Fm-3m


225
Постоянные решетки Углы между гранями   
а, Å b, Å c, Å α,° β,° γ,°
5.149 5.149 5.149 90 90 90


Таблица 6. Исходные данные ТФП-расчеты. Координаты атомов в элементарной ячейке ZrO2

АТОМ

X

Y

        Z

Zr

0.0

 0.0 

       0.0

О1

        0.75

0.25

      0.25

О1

        0.25

0.75 

      0.75

    Далее на рис. 2 (а, б) представленные структуры кристаллической решетки и рельеф поверхности диоксида циркония визуализированы на основе вышеприведенных исходных информаций с помощью утилитов WESTA [17]. 



Рис. 2. 3D – визуализация структуры кристаллической решетки (а) и рельеф атомной поверхности (б) материала ZrO2.

       3.1. Обсуждение результатов

     Для реализации кванто-химических расчетов первоначально была реализована оптимизация геометрии и определена минимальная (оптимальная, релаксированная) энергия элементарной ячейки. Также вычислены расстояния между соседними атомами в кристаллической решётке для дальнейшего проведения расчетов. Дистанция между атомами приведены в табл. 7. 

Таблица 7.  Межатомное расстояние в элементарной ячейке ZrO2

Связь

         Дистанция, Å

Zr-Zr

3.64

O-O

2.57

Zr-O

2.23

       Минимум энергии элементарной ячейки (Emin) составляет -24515.357 Ry, где 1Ry = 13,6 эВ. Эти значения далее были использованы для всех последующих модельных расчетов. Условием сходимости самосогласованных вычислений являлась неизменность полной энергии системы с точностью до 0.001 мRy, а сходимость заряда 0.0004 e. Результаты кванто-химических вычислений электронных зонных структур в рамках ТФП для системы ZrO2 выражаются через ширины запрещенной зоны, плотности состояния (DOS) и распределение энергетических зон (Рис. 3 (а, б, в)). Пунктирные линии соответствуют уровням Ферми

Рис. 3 (а,б,).  Общая плотность электронных состояний (а), плотность электронных состояний за счет отдельных атомов в элементарной ячейке (б) и распределение энергетических зон (с).

    Из рис. 3 (а) видно, что ZrO2 имеет две запрещенной зоны (отмеченные стрелками) со значениями 3,2 эВ и 0,81 эВ. Между этими запрещенными зонами, естественно, лежит энергетическое состояние со значением 1.47 эВ. Согласно рис. 3 (б) в образование энергетических зон вносит вклад широкий набор свободных электронных состояний от всех сортов атомов ZrO2. Однако в образование энергетической разрешённой зоны в основном имеется вклад 4d-состояния электронов атома Zr. Низколежащая зона проводимости возникает за счёт 2p–состояния электронов атома кислорода. В образование валентных состояний также заметен вклад всех состояний атома кислорода (O); в образование центральной валентной зоны вклад вносят оба сорта атомов, хотя эта зона в основном возникает из–за присутствия электронов атома циркония. Высокой уровень плотности состояния за счет электронов атома циркония означают ростом вакантного места и, соответственно, ослаблением кулоновского взаимодействия с атомами ДНК. Поэтому сила притягивания между ДНК и ZrOв основном происходит за счет атомов кислорода.

    Согласно рис. 3(с) для некоторых энергетических уровней существуют симметрии зоны Бриллюэна в точке Г, где за счёт этих симметрий и возникают запрещенные энергетические уровни. Кроме того, из диаграммы распределения электронных состояний можно заметить, что максимум зоны проводимости и минимум валентной зоны встречаются именно в Г точке зоны Бриллюэна, где обусловлены прямые переходы электронов. Нахождение этой точки является весьма важным, с точки зрения перспектив реализаций и применений материалов, например, в лазерной технологии. И так согласно результатам расчетов выбранная нами ОЦК фаза ZrO2 является широкополосным криво-зонным диэлектриком благодаря свой суммарной запрещенной зоне – 4.1 эВ, поскольку материалы, которые имеет запрещенная зона более 3 эВ, считаются изолятором. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с экспериментом [18] и подтверждают корректность наших расчетов. Эти результаты используются при МД-моделировании процессов иммболизации и конформационного превращения молекулы ДНК на поверхности ZrO2, имевшей диэлектрические характеристики.          
        

                         4. МД моделирования молекулярных систем  ДНК+ ZrO2 +Н2О            

      Далее нами МД методом рассмотрены проблемы, связанные с взаимодействиями молекулы ДНК на биосовместимой поверхности диоксида циркония (ZrO2) имевшей диэлектрические характеристики, для которых изучены особенности молекулярной ориентации и поверхностных взаимодействий молекулы. Смоделированы и исследованы нетривиальные процессы радиационного повреждения ДНК при динамических взаимодействиях молекулы с поверхностью диоксида циркония. Процессы взаимодействия (иммобилизации) ДНК / поверхность изучены ZrO2 в корреляции с радиационными повреждениями ДНК и со всевозможными модификациями зарядов при взаимодействиях ДНК и материала диоксида циркония, поскольку получение индуцированных молекулы ДНК с различными электрофизическими свойствами, нанесенных на поверхность полупроводниковых или диэлектрических тонких пленках и подложек, является, на настоящий момент, неотъемлемым этапом нанотехнологии изготовления интегральных микросхем, а также элементов, формируемых на их основе. Такой технологический процесс называется литография. Литография основана на использовании особых высокомолекулярных соединений, таких как ДНК и РНК, которые обладают способностью изменять конформация и электрофизические свойства (проводимость и т. п) под воздействием излучений различной природы – ультрафиолетового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), направленного и сфокусированного потока электронов (электронолитография) и потока ионов (ионно-лучевая литография).  

     Наиболее простой и широко применяемый метод – это метод фотолитографии, которая считается приоритетным в настоящее время. Особенности фотолитографии заключается в травления выделенного фрагмента, чтобы не повредить другие части или поверхность самой подложки. На этом основе построены и протестированы МД модели для изучения процессов взаимодействия и иммболизации ДНК / ZrO2 в водной среде. Для этого нами моделировался фрагмент молекулы ДНК, который представляет собой последовательность из нуклеотидов – две параллельные цепи (двойную спираль) из комплементарных пар аденин-тимин (А-Т) и гуанин-цитозин (Г-Ц). Аденин одной цепи соединяется водородными связями с тимином другой, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи.

    После предварительной подготовки системы ZrO2+ДНК сольватированной водой молекула ДНК в начальном релаксированном состоянии находится на отчетливом расстоянии от поверхности ZrO2.  В двух противоположных участках ДНК нами произвольно были выбраны два атома фосфора (P), как показано на рисунке 4, как возможные точки повреждения ДНК (сайтов локализации внешнего облучения).

Рис. 4. Фиксированное положение (D[ДНК(Pa, Pb)-ZrO2(O)]) и исходная конфигурация ДНК на поверхности ZrO2 в системе ДНК+ZrO2 и ДНК+H2O+ZrO2.

    Далее для молекулы ДНК, сольватированной в водной среде и взаимодействующей с диэлектрической поверхностью ZrO2, нами построены серии модельных структур с различными возможными сценариями зарядовой модификации ДНК. Модификации зарядов ДНК вводились для ее центральной области путем набора нескольких моделей МД (Модели 1, 2 и 3), при которых для выбранных атомов фосфора Pa и Pb имеем следующее:

Модель 1 (нативная ДНК): Q(Pa,Pb)=+1,1659|e|

Модель 2 (поврежденная ДНК): Q(Pa,Pb)=0

Модель 3 (поврежденная ДНК): Q(Pa,Pb)=-1,1659|e,

где е-заряд электрона.

     Определенно степень иммболизации и конформационных превращений ДНК на поверхности зависит от изменения зарядовой структуры ДНК (мутации ДНК), которые происходят под действием внешних факторов таких как радиация [19].  Подчеркнем, что зарядовые состояния атомов фосфора (Pa, Pb) имитируют эффекты внешнего облучения (ионизирующего излучения), индуцированных в структуре ДНК. Таким образом, под влиянием радиации значение зарядов Q (Pa, Pb) самопроизвольно изменяется в интервале [+1,1659; 0.0 ;-1,1659]|e|.

   Теперь рассмотрим детали описания тройной системы ДНК+H2O+ZrOс верификацией шагов молекулярно-динамического анализа. Отметим, что система ДНК+ZrO2 была сольватирована с помощью SPC (Модель относится к трехточечному типу, т.к. используют три участка для электростатических взаимодействий. Частичные положительные заряды на атомах водорода уравновешиваются соответствующим отрицательным зарядом, расположенным на атоме кислорода. Межмолекулярное взаимодействие между двумя молекулами воды вычисляется с использованием типа потенциала Леннард-Джонса только с одной точкой взаимодействия на молекулу - с центром на атоме кислорода) модели воды, где вся система релаксирована в течение 500 пс для фиксированного положения ДНК над поверхностью ZrO2. Процесс релаксации по методу МД был осуществлен на основе изотермического ансамбля NVT, где количество частиц, объем и температура являются постоянными величинами. Общая температура системы ДНК+ZrO2+вода контролировалась с термостатом Нозе-Хувера при Т=310 К со временем релаксации, равным 1 пс. Также для управления давления системы использован баростат Хувера в каноническим ансамбле NPT, с постоянным числом частиц, давлением и температуры системы ("изотермически-изохорический" канонический ансамбль). Метод сетка-частица Эвальда применялся для расчета дальнодействующих электростатических взаимодействий.  Прямоугольная ячейка размером 60 Å х 90 Å х 65 Å содержала одну молекулу ДНК (1260 химически связанных атомов P, C, N, O, H), 1152 молекул поверхности диоксида циркония в размноженном виде элементарной ячейки (384 атомов циркония и 768 атомов кислорода) и 3200 молекул воды (3200 x 3 = 9600 атомов OW и HW). Вся система подвергалась процедуре температурного нагрева и релаксации (уравновешиванием).  Во всех проведенных модельных расчетах временной шаг интегрирования уравнений движений был принят, равным 1 фс. Для численного решения уравнения движения был использован метод Верле с интегратором перепрыгивания (leap frog). Ковалентные связи с участием атомов водорода были оценены (ограничены; constraint) с помощью алгоритма SHAKE.

          4.1. Обсуждение результатов

   На рисунке 5 приведены результаты МД моделирования для моделей 1-3, иллюстрирующих изменения расстояния D[ДНК(Pa, Pb)- ZrO2(O)] со временем. Динамика распределения расстояния D[ДНК(Pa, Pb)- ZrO2 (O)] между атомами фосфора (Pa, Pb) и выбранным атомом кислорода (О) поверхности диоксида циркония сравнивается для нативной ДНК (модель 1: Q(Pa, Pb)=+1,1659|e|) и двух поврежденных версий ДНК (модели 2: Q(Pa, Pb)=0 и 3: Q(Pa,Pb)=- 1,1659|e|). 

Рис. 5. Временная зависимость динамики распределения расстояния D [ДНК (Pa, Pb) - ZrO2 (O)] между двумя атомами фосфора (Pa, Pb) и выбранными атомами кислорода (O) на поверхности диоксида
циркония для МД моделей 7-8-9

   Результаты МД моделирования на рисунке 5 демонстрируют процесс динамического взаимодействия (иммболизации) ДНК / ZrO2. Из приведенных диаграмм расстояния на рис. 5 можно увидеть, что для каждых вышеприведенных моделей, стартовав из одинаковых исходных состояний в конечном релаксированном состоянии, мы имеем формирование различных тесных контактов молекулы ДНК с поверхностью ZrO2. Сравнительный анализ  результатов МД-моделирования показал, что для обеих поврежденных версий ДНК возможно образование сильной связи ДНК(Pa, Pb)- ZrO2 (O) в сравнении с нативной версией ДНК на заданном интервале времени. Это можно обсудить так: для системы ДНК+ZrOдействуют связанные (внутримолекулярные) и несвязанные (межмолекулярные) силы. Процесс иммболизации происходит именно за счет несвязанных взаимодействий в системе. Несвязанные взаимодействия характеризируются ВдВ (Л-Дж) и электрическими кулоновскими силами.   Согласно графику можно говорить о том, что иммболизация и тесные контакты элементов системы в основном происходят за счет дальнодействующих электростатических сил. Конечно, можно здесь заметить вклад ВдВ сил для поврежденной версии атомов с нулевым зарядом. Этот факт имеет хорошее согласие с литературными данными и подтверждается результатами, опубликованными в [20]. В результате, несвязанные силы доминируют над внутримолекулярными колебаниями. Видно, что происходят тесный контакт и высокая степень адсорбции, когда при воздействии ионизирующего облучения выбранные атомы станут отрицательно-заряженными ионами. То есть, если зарядов обеих выбранных радиационноиндуцированных атомов станут отрицательными, дистанция между ДНК и подложкой станет около 1.5 нм (15 ангстремов). В таком случае сильный контакт между компонентами системы в основном происходит за счет электрического взаимодействия в системе. Расстояние между ДНК и поверхностью (дистанция D[ДНК(Pa, Pb)- ZrO2 (O)]) в модели 3, меньше чем других вариантах. Это и есть эффект радиационного воздействия на ДНК.

    Хорошо известно, что при взаимодействиях ДНК с поверхностью ZrOпроисходит иммболизация молекулы, характеризуемой отличающейся ориентацией её отдельных фрагментов. Собственно, при взаимодействиях ДНК с подложкой (ZrO2) её фосфатная часть сильнее притягивается к подложке ZrOпо сравнению с другими частями молекулы. Поэтому по результатам МД-расчетов для всех вышеуказанных моделей ДНК/ZrOбыли построены диаграммы ориентаций молекулы на поверхности посредством 3-D графических представлений траекторий (XY)~f(T), (XZ)~f(T) и (YZ)~f(T) точек (сайтов или участков) повреждений ДНК с целью наблюдения молекулярной ориентации ДНК. Например, результаты МД моделирования для D[ДНК(Pa, Pb)- ZrO2 (O)] изменения положения ДНК в плоскостях (XY) как функции от времени (f(T)) построены и сравнены для всех вышеупомянутых моделей (рис. 6).

Рис. 6. 3-D диаграммы ориентаций молекулы ДНК на поверхности ZrO2, для: а) модель 1, б) модель 2, с) модель 3

     Приведенные выше результаты моделирования для процессов взаимодействия ДНК/ZrOмогут быть связаны с поведением молекулярной ориентации ДНК, например, с хорошо известным фазовым структурным B-Z переходом ДНК. Из-за неравномерного распределения зарядовых состояний отдельные фрагменты притягиваются по-разному. Например, в работе [21] экспериментально было показано, что при взаимодействии ДНК с поверхностью TiO2, фосфатная часть молекулы ДНК сильно притягивается в сравнении с другими частями.  В результате при таких условиях изменяется конформация ДНК.

      Моделирование молекулярной динамики часто используется для наблюдения изменения во времени конформации и других биологических молекул, а также кинетических и термодинамических параметров моделируемой системы.  На этом основе, на рис. 7 для моделей 1-2-3 представлены конфигурационные картинки (снапшоты), демонстрирующие динамику изменения формы и конформации ДНК на ZrO2 для нативной (1: Q(Pa, Pb)=+1,1659|e|), и двух моделей поврежденных версий ДНК (2: Q(Pa, Pb)=0, 3: Q(Pa, Pb)=-1,1659|e|), соответственно. Конформационное поведение ДНК в начальном и конечном состояниях (после 100 пс) и релаксации ((a): вид сбоку; (b): вид сверху; (c): на поверхности) сравниваются для всех вышеуказанных МД моделей. 

Конформации ДНК для моделей 1,2,3  в начальном состоянии

t=0                 

Конформации ДНК для моделей 1,2,3  в конечном состоянии (t=100 ps)

Модель 1: Q(Pa, Pb)=+1,1659|e|



Модель 2: Q(Pa, Pb)=0



Модель 3: Q(Pa, Pb)=-1,1659|e|

Рис. 7. Изменение конформации ДНК на поверхности ZrOв конечном

состоянии для моделей 1-3

   Из полученных нами результатов МД-моделирования посредством трехмерных представлений и снапшотов, представленных на рис. 6, следует, что молекула ДНК показывает различные конформационные поведения в зависимости от значения заряда Q (Pa, Pb), тем самым приближая к поверхности. Вышеописанные наблюдения поведения ДНК/ZrOхорошо согласуются и коррелируются с известным B-Z-переходом молекулы ДНК, поскольку известно, что двойная спираль молекулы ДНК может принимать в зависимости от условий окружающей среды и нуклеотидного состава, B - или Z - формы.

     Несмотря на то, что в описанных литературных данных фрагментация ДНК чаще всего приводит к уменьшению сопротивления переноса заряда за счет удаления фрагментов с поверхности в разработанном ДНК-устройстве, эти фрагменты по-прежнему могут удерживаться на поверхности подложки за счет электростатических взаимодействий отрицательно заряженного сахарно-фосфатного остова ДНК. Таким образом, на поверхности ZrOобразуется более плотный слой фрагментированного ДНК, который, с одной стороны, нарушает процесс проникновения медиатора, увеличивая сопротивление, а с другой - улучшает разделение заряда, увеличивая емкость слоя. Для внутренней границы раздела изменения сопротивления и емкости демонстрировали аналогичную тенденцию, но меньшую интенсивность. В этой связи можно сделать попытку для создания ДНК-сенсора для регистрации окислительного повреждения ДНК с использованием наночастиц ZrO2.

        Заключение

   Таким образом, молекулярная система ДНК / ZrO2, как важный объект междисциплинарного исследования, имеет огромный прорывной потенциал в области нано-био-технологий, где основные надежды связаны с нано-размерными технологиями, с новыми физическими, химическими и биологическими явлениями, происходящими на атомно/молекулярном уровне. Поэтому целью ближайших исследований является разработка наноструктур для исследования проводимости ДНК, разработка методов модификации поверхности наноэлектродов для успешной иммболизации молекул ДНК, исследование свойств и структуры ДНК при адсорбции на такие поверхности . Для решения этой задачи планируется также синтезировать ДНК-подобные линейные молекулы, обладающие повышенной механической стойкостью и сопротивляемостью к стрессу, возникающему при нанесении молекул из водного раствора на твердую подложку.

    В перспективе изучение фундаментальных механизмов взаимодействия и динамики ориентации ДНК на поверхности диоксида циркония может послужить основой для понимания физико-химических процессов, происходящих на границах твердых поверхностей с молекулой ДНК, для понимания эффектов воздействия внешних электрических полей в системе ДНК+поверхность, а также для дизайна и технологий получения биосовместимых материалов.

 

Библиографический список:

1. Porath D., Bezryadin A., Vries S., Dekker C. Direct measurement of electrical transport through DNA molecules.// Nature. - 2000, - V.403, -pp. 635-638.
2. Taniguchi M., Kawai T. DNA electronics.// Phys. E. - 2006, V.33, - pp. 1-12.
3. Subrata M., Mishra I., Shikha V. Enhanced biocompatibility for plasmid DNA on patterned TiO2 surfaces.// Appl. Phys. Lett., - 2013, - V.103, -pp. 631-643.
4. Gray H.B., Winkler J.R. Electron transfer in proteins.// Annu. Rev. Biochem., - 1996, - v. 65, - pp.537-561.
5. Saxena P., Singh A., Lalwani S. Use of DNA for Computation, Storage and Cryptography of Information.International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE)., - 2013, - V. 3 (2), - pp. 1450-1456.
6. Nanoelectronics and nanobioelectronics: http://nano.86sch5.edusite.ru/p17aa1.html
7. Бурхонзода А.С.,Нематов Д.Д., Гиёсов С.С., Хусенов М.А., Холмуродов Х.Т.Кванто-механический расчет электронного строения ZrO2:Ti4+ в рамках теории функционала плотности.//Политехнический вестник. ТТУ им. акад. М.С.Осими Серия: Интеллект. Иннов. Инвес.» -2019, - №3, - с.11-17.
8. Нематов Д.Д. Исследование электронного строения нанотрубок из нитрида бора, легированного цирконием, методом функционала плотности.// Политехнический вестник. ТТУ им. акад. М.С.Осими Серия: Интеллект. Иннов. Инвес.» - 2019, - №1, - с.42-47.
9. Березин Ф.А., Шубин М.А. Уравнение Шредингера. // -М.- 1983, Изд-во МГУ,-392 с.
10. Dirac P.A. Quantum mechanics of many-electron systems. // In the Proceedings of the Royal Society, Series A. 1929, - V. 123, - pp. 714-733
11. Thomas L.H. The calculation of atomic fields. // Math. Proc. Cam. Phil. Soc. - 1927. -V. 23. – PP. 542-448.
12. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. // Phys Rev Lett. - 1996, - V. 77(18), - pp. 3865-3868.
13. Kohn W., Sham L. J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects.// Phys. Rev. Ser. A, - 196,. -V. 140, -PP.1133-1965.
14. Khan W., et all. Theoretical and Experimental Study on the Optoelectronic Properties of Nb3O7 (OH) and Nb2O5 Photoelectrodes. // J. Physical Chemistry C, - 2016. -V. 120, -PP.23329-23338.
15. Jones R. O., Gunnarsson O. The density functional formalism, its applications and prospects. // Rev. Mod. Phys.— 1989, — V. 61(3), — pp. 689–746.
16. Нематов Д.Д., Бурхонзода A.С., Хусенов M.A., Ш. У., Холмуродов Х.T. . Квантово-химический расчет электронной структуры нанокриссталлов ZrO2 в рамках теории функционала плотности / Materials the scientific-practical international conference of students, magister, Phd students and young scientists «MUHANDIS-2019», Часть 2, c.35-46.
17. Momma K, Izumi F. VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology dataю // J. Appl. Crystallogr., -2011, - V. 44, - pp. 1272-1276.
18. Terki R., Ghislaine B., Hafid A., Christian C. Structural and electronic properties of zirconia phases: A FP-LAPW investigations. // Materials Science in Semiconductor Processing. - V. 9(6), - pp. 1006-1013.
19.Беспалов В. И. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом: учебное пособие./ / - 4 изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, - 2008. - 369 с.
20. Wright L. B., Walsh T. R. Efficient conformational sampling of peptides adsorbed onto inorganic surfaces: insights from a quartz binding peptide.// Physical Chemistry Chemical Physics, - 2013, - V. 15, -pp. 4715–4726.
21. Xu Zhang et all. Adsorption of DNA Oligonucleotides by Titanium Dioxide Nanoparticles.// Langmuir, - 2014, - V. 30(3), -pp. 839-845




Рецензии:

27.02.2020, 9:12 Мухуров Николай Иванович
Рецензия: Для начала нужно исправить многочисленные ошибки в тексте статьи на русском языке. В аннотации абсорбция, в тексте адсорбция. Это разные понятия. Снизить претензии автора на "прорывные" технологии и обосновано примерять терминологию. После исправлений можно будет рассмотреть статью по существу.

28.02.2020 15:15 Ответ на рецензию автора Нематов Дилшод Давлатшоевич:
Выражаю огромную благодарность за написанную рецензию. Мы сейчас работаем над исправлением ваших замечаний, насчет адсорбция и абсорбция вы совершенно правы они выражают разные определения, но мы не обнаружили в аннотации и в тексте статье ни какого слова абсорбция, наверно вы ошиблись. А также на данный момент работаем над граматикой и терменологией текста.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх