Компьютерное моделирование сорбционных взаимодействий L-аргинина и L-лизина с углеродными нанотрубками
Authors: Бутырская Елена Васильевна , Запрягаев Сергей Александрович , Измайлова Екатерина Анатольевна , Артыщенко Степан Владимирович 
Published: October 2020

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой новый класс наноматериалов, имеющих огромный потенциал для разнообразных технологических приложений. Перспективность их применения в биомедицине связана с возможностью УНТ пересекать мембрану клетки без ее нарушения, что обуславливает значимость исследования взаимодействий УНТ с биологически активными веществами, в частности аминокислотами. В настоящей работе методом функционала плотности B3LYP/6-31G(d,p) с дисперсионной поправкой GD3 выполнено компьютерное моделирование структуры и свойств систем аргинин (лизин) – одностенная углеродная нанотрубка (УНТ). Рассчитаныэнергии адсорбции, дипольные моменты, суммарный заряд на атомах аминокислоты и нанотрубки, наименьшие расстояния от атомов аминокислоты до УНТ. Учет дисперсионной поправки при моделировании, практически не представленный в литературе, позволяет получить энергии адсорбции аминокислот на УНТ более точно по сравнению с существующими расчетами вследствие высокой поляризуемости УНТ. Рассмотрены случаи расположения аминокислоты на открытом конце, внешней и внутренних боковых поверхностях УНТ. Вычисленный ряд энергий адсорбции удовлетворяет условиям Eкон > Eвнутри > Eбок. Это обусловлено тем, что при расположении аминокислоты на внешней боковой поверхности сорбат взаимодействует с частью боковой поверхности трубки, при ее расположении внутри УНТ – со всей поверхностью посредством сил Ван-дер-Ваальса, при расположении сорбата на конечном участке сорбента между ними имеет место ковалентная связь. Образование ковалентной связи на открытом конце УНТ обусловлено более высокой электронной плотностью вблизи конечных участков нанотрубки по сравнению стаковой вблизи внешней и внутренней боковой поверхностями трубки. Дано объяснение механизма адсорбции и усиления антибактериальной активности УНТ, функционализированных аргинином и лизином, по сравнению с нефункционализированными УНТ.

ЛИТЕРАТУРА
1. Раков Э. Г. Углеродные нанотрубки в новыхматериалах. Успехи химии. 2013;82(1): 27–47. DOI:https://doi.org/10.1070/rc2013v082n01abeh0042272. Раков Э. Г. Материалы из углеродных нано-трубок. «Лес». Успехи химии. 2013;82(6): 538–566.DOI: https://doi.org/10.1070/rc2013v082n06abeh0043403. Dai H., Hafner J., Rinzler A., Colbert D.,Smalley R. Nanotubes as nanoprobes in scanning probemicroscopy. Nature. 1996;384(6605): 147–150. DOI:https://doi.org/10.1038/384147a04. Zhai P., Isaacs J., Eckelman M. Net energy benefitsof carbon nanotube applications. Appl. Energy.2016;173: 624–634. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.04.0015. Тучин А. В., Тяпкина В. А., Битюцкая Л. А.,Бормонтов Е. Н. Функционализация закрытыхультракоротких углеродных нанотрубок (5, 5). Кон-денсированные среды и межфазные границы.2016;18(4): 568–577. Режим доступа: https://journals.vsu.ru/kcmf/article/view/1676. Атлуханова Л. Б., Долбин И. В., Козлов Г. В.Характеристики нанонаполнителя и межфазныхобластей в нанокомпозитах полимер/углеродныенанотрубки с эластомерной и стеклообразной ма-трицей. Конденсированные среды и межфазныеграницы. 2019;21(4): 471–477, DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/23587. Атлуханова Л. Б., Долбин И. В., Козлов Г. В.Физические основы межфазной адгезии полимер-ная матрица – углеродные нанотрубки (нановолок-на) нанокомпозитов. Конденсированные среды имежфазные границы. 2020;22(2): 190–196. DOI:https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/28228. Nowack B., David R., Fissan H., Morris H., ShatkinJ., Stintz M., Zepp R., Brouwer D. Potential releasescenarios for carbon nanotubes used in composites.Environ. Int. 2013;59: 1–11. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envint.2013.04.0039. Kumar S., Rani R., Dilbaghi N., TankeshwarabK. Carbon nanotubes: a novel material for multifacetedapplications in human healthcare. The Royal Societyof Chemistry. 2017;46(1): 158–196. DOI: https://doi.org/10.1039/c6cs00517a10. Liu Z., Chen K., Davis C., Sherlock S., Cao Q.,Chen X., Dai H. Drug Delivery with Carbon Nanotubesfor In vivo Cancer Treatment. Drug deliveryCancer Treatment Cancer Res. 2008;68: 6652–6660.DOI: https://doi.org/10.1158/0008-5472.can-08-146811. Постнов В. Н., Родинков О. В., Москвин Л. Н.,Новиков А. Г., Бугайченко А. С., Крохина О. А. Отуглеродных наноструктур к высокоэффективнымсорбентам для хроматографического разделенияи концентрирования. Успехи химии. 2016;85(2):115–138. DOI: https://doi.org/10.1070/rcr455112. Vardanega D., Picaud F. Detection of aminoacids encapsulation and adsorption with dielectriccarbon nanotube. Journal of Biotechnology. 2009;144(2):96–101. DOI: https: //doi.org/10.1016/j.jbiotec.2009.08.01613. Ganji M. Density functional theory based treatmentof amino acids adsorption on single-walledcarbon nanotubes. Diamond & Related Materials2009;18(4): 662–668. DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2008.11.02114. Roman T., Dino W., Nakanishi H., Kasai H.Amino acid adsorption on single-walled carbon nanotubes.Eur. Phys. Journal D. 2006;38(1): 117–120. DOI:https://doi.org/10.1140/epjd/e2006-00043-115. He Z., Zhou J. Probing carbon nanotube–aminoacid interactions in aqueous solution with moleculardynamics simulations. Carbon. 2014;78: pp. 500–509. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.07.03116. Garalleh H. A., Thamwattan, N., Cox B. J.,Hill J. M. Encapsulation of L-histidine amino acid insidesingle-walled carbon nanotubes. J. of Biomaterialsand Tissue Engineering. 2016;6(5): 362–369. DOI:https://doi.org/10.1166/jbt.2016.145917. Tu Y., Lv M., Xiu P., Huynh T., Zhang M., CastelliM., … Zhou R. Destructive extraction of phospholipidsfrom Escherichia coli membranes by graphenenanosheets. Physical and Chemical Properties of CarbonNanotubes. 2013;8(8): 594–601. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2013.12518. Piao L., Liu Q., Li Y. Interaction of amino acidsand single-wall Carbon nanotubes. J. Phys. Chem. C.2012;116 (2): 1724–1731. DOI: https://doi.org/10.1021/jp208531819. Foresman J., Keith T., Wiberg K., Snoonian J.,Frisch M. Influence of cavity shape, truncation ofelectrostatics, and electron correlation on ab initioreaction field calculations. J. Phys Chem. 1996;100(40):16098-16104. DOI: https://doi.org/10.1021/jp960488j20. Frisch. M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B. Gaussian09. Gaussian. Wallingford CT Inc; 2009.21. Бутырская Е. В. Компьютерная химия: осно-вы теории и работа с программами Gaussian иGaussView. М.: Солон-пресс; 2011. 224 c.22. Grimme S., Antony J., Ehrlich S. A consistentand accurate ab initio parameterization of density functionaldispersion correction (DFT-D) for the 94 elementsH-Pu // J. Chem. Phys, 2010, vol. 132, p. 154104. DOI:https://doi.org/10.1063/1.338234423. Бутырская Е. В., Запрягаев С. А., Нечаева Л. С., Карпушин А. А., Измайлова Е. А. Влияниеметода и базиса расчета на структуру и электрические свойства углеродных нанотрубок (4,4) различной длины с открытыми концами. Журнал структурной химии. 2016;57(4): 649-657. DOI: https://doi.org/10.15372/JSC2016040324. Нечаева Л. С., Бутырская Е. В., Запряга-ев С. А. Компьютерное моделирование размерныхэффектов и адсорбционных свойств одностенныхуглеродных нанотрубок (6,6). Журнал общей химии.2016; 86(7): 1208–1215. DOI: https://doi.org/1010.1134/S107036321607025225. Zardini H. Enhanced antibacterial activity ofamino acids-functionalized multi walled carbon nanotubesby a simple method. Biointerfaces. 2012;92:196–202. DOI: https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2011.11.045