Молекулярно-динамическое моделирование нуклеотидной цепочки с наночастицами золота в матрице углеродной нанотрубки

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №11_

ФИЗИКА

УДК 538.9:538.94

М.А.Хусенов, Х.Т.Холмуродов

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НУКЛЕОТИДНОЙ ЦЕПОЧКИ С НАНОЧАСТИЦАМИ ЗОЛОТА В МАТРИЦЕ УГЛЕРОДНОЙ

НАНОТРУБКИ

Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан

С использованием метода молекулярной динамики (МД) построена серия молекулярных моделей и изучены особенности взаимодействия нуклеотидной цепочки (НЦ) с наночастицами (НЧ) золота в матрице (углеродной нанотрубки) УНТ. МД расчёты были выполнены с использованием программного пакета DL-POLY 2.20, построены конфигурационные картины (снапшоты) системы, иллюстрирующие особенности формирования связей НЦ с НЧ золота, а также зависимости полной потенциальной энергии системы НЦ-НЧ-УНТ угловых и торсионных (дигедральных) внутримолекулярных связей НЦ.

Ключевые слова: нуклеотидная цепочка, наночастицы золота, углеродная нанотрубка, Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие, молекулярная динамика.

Изучение молекулярных систем типа НЦ (нуклеотидная цепочка) - НЧ (наночастицы) - УНТ (углеродная нанотрубка) представляет большой интерес для широкого спектра теоретических и прикладных проблем, например в разработках электронных диагностических приборов, в биохимических и биотехнологических приложениях (дизайн нанороботов, механизмов для транспортировки лекарств в живой клетке и т.п.). В настоящей статье с использованием метода МД смоделировано взаимодействие небольшой НЦ с НЧ золота в матрице УНТ.

Понимание механизмов образования разнообразных связей ДНК с металлическими НЧ и металлическими поверхностями, которые протекают при наличии взаимодействия с матрицей из УНТ, является чрезвычайно важным во многих аспектах современной электроники, биотехнологии и генной инженерии [1-7]. Небольшая нуклеотидная цепочка является важным звеном в исследовании молекулярных структур и процессов взаимодействия целостной молекулы ДНК или РНК с металлическими НЧ и УНТ. Как известно, первичные структуры ДНК и РНК состоят из линейной последовательности нуклеотидов, которые связаны друг с другом фосфодиэфирной связью [1-4].

Целью настоящей работы явилось изучение структурных конформационных изменений в молекулярной системе НЦ-НЧ-УНТ, оценка динамических и энергетических характеристик системы при разных температурах среды. В данной работе с использованием метода молекулярно-динамического (МД) моделирования нами выполнены компьютерные расчёты для фрагмента НЦ, взаимодействующего с НЧ золота в матрице УНТ. Для системы НЦ-НЧ-УНТ построена серия моде-

Адрес для корреспонденции: Хусенов Мирзоазиз Ашурович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299, Физико-технический институт АНРТ. E-mail: mirzo85@inbox.ru

лей, где небольшая цепочка НЦ (один пиримидин - цитозин (Ц) и один пурин - гуанин (Г)) приводится в контакт с НЧ золота, и в дальнейшем прослеживаются процессы их релаксации и взаимодействия в окружении УНТ. При этом в системе НЦ-НЧ-УНТ учитываются существования лишь Ван-дер-Ваальсовых (ВдВ) сил и потенциалов.

Построение моделей и описание метода Смоделированная молекулярная структура представляет собой трёхкомпонентую систему, состоящую из нуклеотидной цепочки (НЦ) - одного пиримидина (Ц, цитозина) и одного пурина (Г, гуанина), одной или несколько наночастиц (НЧ) золота, а также углеродной нанотрубки (УНТ).

МД расчёты были выполнены с использованием программного пакета DL POLY 2.20 [7-9]. Для контроля температуры системы использовался термостат Берендсена в ансамбле NVT. Для интегрирования уравнений движений применялась схема Верле с центральной разностной схемой «прыжок лягушки». Шаг интегрирования был принят равным одной фемтосекунде. Короткодействующие ВдВ взаимодействия между НЦ, НЧ и УНТ описываются с помощью потенциала Леннарда-Джонса (Л-Дж):

V(r) = 48 (5

где е - глубина потенциальной ямы, о - «эффективный диаметр атома» - расстояние, на котором уравновешиваются силы отталкивания и притяжения между атомами. Значения параметров е и о для модели НЦ-НЧ-УНТ нами были взяты из литературы [7] и базы данных пакета DL_POLY [7-9], а также из нашей предыдущей работы [8]. Для разного сорта атомов применялись комбинированные

1 i

правила Лоренца-Бершелота (Lorentz-Berthelot combining rules): etj = (еие^)2 Gy = 1 {gu + G^J.

Для описания УНТ используется потенциал Терсоффа - плотностно-зависящий потенциал, который адекватно воспроизводит ковалентную связь в системах, содержащих углерод, кремний, германий и сплавы из этих элементов. Особенность потенциала Терсоффа для МД моделирования состоит в том, что он позволяет учитывать разрушение и формирование химических связей, ассоциируемых с процессом их гибридизации. Потенциальная энергия Терсоффа состоит из парных взаимодействий; коэффициент притягательного члена зависит от локального окружения, задающего, таким образом, многочастичный потенциал [8]:

Модельная система рис.1, состоящая из нуклеотидной цепочки (НЦ) и наночастицы (НЧ) золота, приводится при различных температурах от 7=100 до 300 К в равновесном термализованном состоянии в матрице углеродной нанотрубки (УНТ). В начальном состоянии НЦ и НЧ расположены внутри УНТ на расстоянии 5-10 А друг от друга, то есть в радиусе действия сил ВдВ.

Модель 1

«*£ о 4$ &

Рис. 1. Три модели нуклеотидной цепочки (НЦ), взаимодействующей с 1, 2 и 3 наночастицами (1, 2, 3 НЧ) золота. Большими сферами обозначены один из двух атомов фосфора в НЦ и атомы (1, 2, 3 НЧ) золота.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 приведены результаты МД вычислений зависимости полной потенциальной энергии системы НЦ-НЧ-УНТ для моделей 1, 2 и 3 от времени. При всех температурах потенциальная энергия системы плавно достигает своего равновесного (релаксированного) значения. Из рис. 4 также можно заметить, что кривые потенциальной энергии для модели 3 расположены чуть ниже, чем для модели 2, а для модели 2 ниже, чем для модели 1. Таким образом, добавление очередного атома золота в системе каждый раз приводит к небольшому изменению в кривых потенциальной энергии.

Рис. 2. Полная потенциальная энергия системы НЦ-НЧ-УНТ для моделей 1, 2 и 3 в зависимости от времени. Здесь и на рис.3 и 4: Модель 1 (НЦ-1 НЧ) - А; Модель 2 (НЦ-2 НЧ) - Б; Модель 3 (НЦ-3 НЧ) - В.

Для оценки внутримолекулярных осцилляций НЦ, по данным МД моделирования, были построены графики энергии угловых и торсионных (дигедральных) связей НЦ. На рис. 3 и 4 представлены временные зависимости энергий угловых и торсионных связей НЦ при взаимодействии с 1 НЧ, 2 НЧ и 3 НЧ золота внутри УНТ. Сравнивая результаты, приведенные на рис. 3-4, можно прийти к заключению, что начальные осцилляции НЦ в итоге определяют характер образования связи с НЧ золота. Например, для НЦ-1 НЧ и НЦ-2 НЧ моделей, по сравнению с НЦ-3 НЧ, на начальной стадии динамики взаимодействия характерны более резкие скачки энергий связей. Также разброс энергий угловых и торсионных связей по температуре для моделей НЦ-1 НЧ и НЦ-2 НЧ выглядит более заметным, нежели для НЦ-3 НЧ.

Рис. 3. Энергия угловых связей НЦ при взаимодействии с 1, 2 и 3 НЧ золота внутри УНТ.

Рис. 4. Энергия торсионных (дигедральных) связей НЦ при взаимодействии с 1, 2 и 3 НЧ золота внутри УНТ.

Заключение

В статье с использованием метода молекулярной динамики построена серия молекулярных моделей и изучены особенности взаимодействия нуклеотидной цепочки с наночастицами НЧ золота в матрице УНТ. При этом реализован гибридный МД метод, в котором кванто-химический потенциал взаимодействия сочетается с вычислениями классических ньютоновских траекторий атомов. Для системы НЦ-НЧ-УНТ в процессах парного межатомного взаимодействия частиц допускалось существование лишь Ван-дер-Ваальсовых (ВдВ) сил; для описания ВдВ взаимодействий использован парный потенциал Леннарда-Джонса. При анализе данных МД моделирования построены конфигурационные картины (снапшоты) системы, иллюстрирующие особенности формирования связей НЦ с 1 НЧ, 2 НЧ и 3 НЧ золота. Также построены зависимости полной потенциальной энергии системы НЦ-НЧ-УНТ, угловых и торсионных (дигедральных) внутримолекулярных связей НЦ при разных температурах. Анализ структурных и энергетических характеристик системы НЦ-НЧ-УНТ указывает на нетривиальную картину формирования связей НЦ-НЧ как результат конкуренции двух эффектов -внутримолекулярных (угловых и торсионных) колебаний НЦ со слабыми ВдВ взаимодействиями НЦ-НЧ. Даже для одноатомной модели НЦ-1 НЧ возможно образование слабых и сильных связей. При этом характер взаимодействия НЦ-1 НЧ определяет вид связей НЦ-2 НЧ и НЦ-3 НЧ моделей. В заключении отметим, что изучение молекулярных систем типа нуклеотидная цепочка - металличе-

ские наночастицы - углеродная нанотрубка представляет большой интерес для современной нано-биотехнологии и микроэлектроники, в разработке биоэлектронных устройств. Исследуемая система представляет интерес в дизайне биочипов для анализа крови, в устройствах нано- и микроэлектроники для транспортировки лекарств в живую клетку и т.д. [1-10].

Поступило 11.08.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Dunford R., Salinaro A., Cai L., Serpone N., Horikoshi S., Hidaka H., Knowland J. Chemical oxidation and DNA damage catalysed by inorganic sunscreen ingredients. - FEBS Letters, 1997, v.418, №1, pp.87-90.

2. Santa Lucia J. (Jr.). A unified view of polymer, dumbbell, and oligonucleotide DNA nearest-neighbor thermodynamics. - Biochemistry, 1998, v.95, pp.1460-1465.

3. Santa Lucia J. (Jr.) and Hicks D. The thermodynamics of DNA structural motifs. - Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 2004, pp.415-440.

4. Breslauert K.J., Franks R., Blockers H., and Markyt L.A. Predicting DNA duplex stability from the base sequence. - Biochemistry, 1986, v.83, pp.3746-3750.

5. Saquib Q., Al-Khedhairy A.A., Siddiqui M.A., Abou-Tarboush F.M., Azam A., Musarrat J. Titanium dioxide nanoparticles induced cytotoxicity, oxidative stress and DNA damage in human amnion epithelial (WISH) cells. - Toxicology in Vitro, 2012, v.26, pp.351-361.

6. Hilder T.A., Hill J.M. Carbon nanotubes as drug delivery nanocapsules. - Current Applied Ph., 2008, v.83, №3-4, pp.258-261.

7. Smith W., Forester T.R., Todorov I.T. The DL_POLY_2 user manual. - Daresbury Cheshire (UK), STFC Daresbury Laboratory, 2007, 312 p.

8. Khusenov M.A., Dushanov E., Kholmurodov Kh. Molecular Dynamics Simulations of the DNA-CNT Interaction Process: Hybrid Quantum Chemistry Potential and Classical Trajectory Approach. - Journal of Modern Physics, 2014, v.5, pp.137-144.

9. Forester T.R., Smith W. Dl_POLY_2.0: A general-purpose parallel molecular dynamics simulation package. - Journal of Molecular Graphics, 1996, v.14, №3, pp. 136-141.

10. Kholmurodov Kh. (Ed.) Molecular Dynamics of Nanobistructures. - Nova Science Publishers Ltd., 2011, 210 p.

М.А.Хусенов, Х.Т.Холмуродов

ТАРХСОЗИИ ДИНАМИКАИ - МОЛЕКУЛАВИИ ЗАН^ИРАХОИ НУКЛЕОТИДЙ БО НАНО-ЗАРРАЧАХОИ ТИЛЛОЙ ДАР ЦОЛАБИ

НАНОТРУБКАИ КАРБОНЙ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Бо истифода аз усули динамикаи молекулй (ДМ) як катор моделх,ои молекулй сохта шу-да, хусусиятхои хамтаъсирии як зан^ираи нуклеотидй (ЗН) бо нано-заррачахои (НЗ) тилло дар колаби нанотрубкаи карбонй (НТК) зери тахкик карор гирифта шудаанд. Х,исоботх,ои динами-

каи молекулй бо истифода аз бастаи барномавии DL_POLY 2.20 ичро шуда, тасвирх,ои конфигуратсионй сохта шудаанд, ки хусусиятх,ои зохдрии танзими робитах,ои ЗН бо НЗ тилло, хдмчунин энергияи пурраи иктидори системаи ЗН-НЗ-НТК алокаи печидагих,о ва кунчих,ои дохили молекулявии ЗН-ро дар бар мегиранд.

Калимауои калидй: защираи нуклеотидй, нанозаррачауои тилло, нанотрубкаи карбонй, уамтаъсирии Ван-дер-Ваалсй, динамикаи молекулявй.

M.A.Khusenov, Kh.T.Kholmurodov MOLECULAR-DYNAMICS SIMULATION OF A NUCLEOTIDE CHAIN WITH GOLD NANOPARTICLES ON A CARBON NANOTUBE MATRIX

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan

Using molecular dynamics (MD) method a series of molecular models was built and peculiarities of the nucleotide chain (NC) and gold nanoparticles (NPs) bonding were studied within a carbon nanotube (CNT) matrix. The MD calculations were performed with the use of program package DL_POLY_2.20, thereby configuration snapshots of the NC-NP-CNT system illustrating the peculiarities of NC-NP binding, as well as total potential energy along with the angular and torcional (dihedral) intermolecular bonds of the NC were constructed.

Key words: nucleotide chain, gold nanoparticles, carbon nanotube, Van-der-Waals interactions, molecular dynamics.