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

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №12_

ФИЗИКА

УДК 538.9:538.94

М.А.Хусенов, Х.Т.Холмуродов

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

ГРАНИЦАМИ

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

Показано, что расширение модели на случай периодической углеродной нанотрубки (УНТ) позволяет исследовать эффекты взаимодействия нуклеотидной цепочки (НЦ) с наночастицами золота (НЧ) в более адекватном и реалистическом приближении. Выполнена серия молекулярно-динамических (МД) расчётов с разными моделями НЦ-НЧ-УНТ, исследована особенность молекулярных процессов взаимодействия НЦ-НЧ, обусловленная матрицей УНТ с периодическими границами. Также построены зависимости полной потенциальной энергии, угловых и торсионных (дигед-ральных) внутримолекулярных связей НЦ при разных температурах. Анализировались структурные и энергетические характеристики системы НЦ-НЧ-УНТ на атомно-молекулярном уровне.

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

Ранее нами исследовались взаимодействия небольшой НЦ с НЧ золота в матрице УНТ с открытыми границами [1].

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 над фрагментом НЦ, взаимодействующей с НЧ золота в матрице УНТ. Для системы НЦ-НЧ-УНТ построена серия моделей, где небольшая цепочка (один пиримидин - цитозин (Ц) и один пурин - гуанин (Г)) приводится в контакт с НЧ золота и в дальнейшем прослеживаются их процессы 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

На рис. 1 приведены конфигурационные схемы изученных моделей. Молекулярная система, нуклеотидная цепочка - наночастицы золота, взаимодействуют в матрице (УНТ) с открытыми или периодическими границами. В данной работе мы приводим результаты молекулярно-динамических расчётов для системы НЦ-НЧ-УНТ с периодическими граничными условиями. НЦ состоит из одного

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

пиримидина (Ц, цитозина) и одного пурина (Г, гуанина), который взаимодействует с одной или несколькими наночастицами золота. При этом, как и в предыдущей нашей работе [1], в системе НЦ-НЧ-УНТ в процессах парного межатомного взаимодействия частиц мы рассматриваем присутствие лишь Ван-дер-Ваальсовых (ВдВ) сил и потенциалов.

Рис. 1. Молекулярная модель НЦ-НЧ внутри УНТ с открытыми (слева) и периодическими (справа) границами.

Молекулярно-динамические расчёты были выполнены с использованием программного пакета DL POLY 2.20 [2-4]. 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 1 фемтосекунде. Как и в работе [1], для описания УНТ использовался многочастичный потенциал Терсоффа, имеющий кванто-химическую природу [5]. Короткодействующие ВдВ взаимодействия между НЦ, НЧ и УНТ описываются с помощью потенциала Леннарда-Джонса:

где £ - глубина потенциальной ямы, а - «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 [2,3], из базы данных пакета DL_POLY [2-4], а также из нашей предыдущей работы [6].

Модельные системы из НЦ и НЧ золота приводятся при различных температурах от 7=100 до 300 К в равновесном термализованном состоянии в матрице углеродной нанотрубки с периодическими границами. В начальном состоянии НЦ и НЧ расположены внутри на расстоянии ^5-10 А друг от друга, то есть в радиусе действия сил ВдВ.

На рис. 2 приведены результаты МД вычислений временной зависимости полной потенциальной энергии системы НЦ-НЧ-УНТ, одинаковой для всех моделей 1, 2 и 3. При всех температурах потенциальная энергия системы плавно достигает свои равновесные (релаксированные) значения. Кривые потенциальной энергии иллюстрируют тенденцию изменения полной потенциальной энергии с увеличением температуры Т = 100, 200 и 300 К, для системы НЦ-НЧ-УНТ с периодическими границами.

i

Результаты и обсуждение

Рис. 2. Полная потенциальная энергия системы НЦ-НЧ-УНТ в зависимости от времени для всех моделей 1, 2 и 3 при температурах Т=100, 200 и 300 К.

На рис. 3 приведены диаграммы межатомных расстояний НЦ-НЧ со временем, иллюстрирующие их динамику взаимодействия внутри УНТ при температурах Т=100, 200 и 300 К. Взаимное расположение НЦ и НЧ в матрице УНТ показано для периода времени от ^ = 0 до ^ = 100 пс конфигурационных изменений в системе. Как видно из рис. 3, для модели из трёх атомов золота (НЦ-3НЧ) возможно образование сильной связи НЦ-НЧ, которая разрушается лишь при больших температурах, то есть при Т=300 К. Для модели с двумя атомами золота (НЦ-2НЧ) прочная связь НЦ-НЧ сохраняется лишь при низких температурах. Далее, для модели 1 с одним атомом золота, связь НЦ-НЧ выглядит, скорее всего, неустойчивой.

Рис. 3. Временные зависимости расстояния НЦ-НЧ внутри периодической УНТ для моделей 1, 2 и 3

при температурах Т=100, 200 и 300 К. Здесь и на рис. 4 Модели 1 (НЦ-1 НЧ) - А, Модели 2 (НЦ-2 НЧ) - Б и Модели 3 (НЦ-3 НЧ) - В.

На рис. 4 представлены временные зависимости энергий угловых и торсионных связей НЦ при взаимодействии с 1 НЧ, 2 НЧ и 3 НЧ золота внутри УНТ при температурах Т=100, 200 и 300 К. Для всех трёх моделей характерны рост энергий внутримолекулярных осцилляций НЦ при Т=300 К. Данные МД моделирования, приведенные на рис. 4, показывают, что энергии угловых и торсионных

обладают сравнительно меньшими осцилляциями. Скорее всего, 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.

Таким образом, сильная связь НЦ-НЧ выглядит предпочтительной для моделей 2 и 3, то есть для систем с большим числом атомов золота. Очевидно, что с образованием небольших кластеров также увеличивается вклад ВдВ сил и потенциалов. При этом определяющим фактором для образования тех или иных связей между НЦ-НЧ может являться эффект корреляции внутримолекулярных вибраций НЦ со слабыми ВдВ взаимодействиями.

Рис. 4. Энергия угловых (I; А, Б, В.) и (II; А, Б, В.) торсионных (дигедральных) связей НЦ при взаимодействии с 1 НЧ, 2 НЧ и 3 НЧ золота внутри периодической УНТ при температурах Т=100, 200 и 300 К.

Заключение

В работе с использованием метода молекулярной динамики построена серия молекулярных моделей и изучены особенности взаимодействия нуклеотидной цепочки с наночастицами золота в матрице УНТ с периодическими границами. При этом реализован так называемый 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, иллюстри-

рующие 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 (дигедраль-ных) 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 заключение можно отметить, что изучение молекулярных систем типа нуклеотидная цепочка - металлические наночастицы - углеродная нанотрубка представляет большой интерес для современной нанобиотехнологии и микроэлектроники, а также в разработке биоэлектронных устройств. Исследуемая система представляет интерес в дизайне биочипов для анализа крови, в устройствах нано- и микроэлектроники для транспортировки лекарств в живой клетке и т.д. [5-9].

Поступило 17.08.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хусенов М.А., Холмуродов Х.Т. Молекулярно-динамическое моделирование Ван-дер-Ваальсовой системы из нуклеотидной цепочки с наночастицами золота в матрице углеродной нанотрубки. -ДАН РТ, 2015, т.58, №11, с.997-1002.

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

3. Forester T.R., Smith W. Dl_P0LY_2.0: A general-purpose parallel molecular dynamics simulation package. - Journal of Molecular Graphics, 1996, v.14, №3, pp.136-141.

4. Smith W., T.R. Forester and I.T. Todorov. The DL_P0LY 2 User Manual. - Warrington WA4 4AD Cheshire, (UK), STFC Daresbury Laboratory Daresbury, 2008, v.2.19.

5. Khusenov M., Dushanov E., Kholmurodov, K. 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.

6. Khusenov M., Dushanov E., Kholmurodov K. Correlation Effect of the Van-der-Waals and Intramolecular Forces for the Nucleotide Chain-Metallic Nanoparticles Binding in a Carbon Nanotube Matrix of Periodic Boundaries. - British Journal of Applied Science Technology, 2015, v.8, №3, pp.313-323.

7. 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.

8. Trouiller B., Reliene R., Westbrook A., Solaimani P., Schiestl R.H. Titanium Dioxide Nanoparticles Induce DNA Damage and Genetic Instability In vivo in Mice. - Cancer Res., 2009, v.69, №22.

9. Freyre-Fonseca V., et al. Titanium dioxide nanoparticles impair lung mitochondrial function. - Toxicology Letters, 2011, v.202, pp.111-119.

М.А.Хусенов, Х.Т.Холмуродов

ТАРХСОЗИИ НИЗОМИ ВАН ДЕР ВАЛСИИ ДИНАМИКАИ-МОЛЕКУЛАВЙ, АЗ СИСТЕМАИ ЗАН^ИРАХОИ НУКЛЕОТИДЙ БО НАНО-ЗАРРАЧАХОИ ТИЛЛОЙ ДАР ЦОЛАБИ НАНОТРУБКАИ КАРБОНЙ БО ХУДУДХОИ ДАВРЙ

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

Дар макола нишон дода шудааст, ки дар полати васеъ намудани модели нанотрубкаи карбонии даврй (НТК) имкониятх,о ба омухтани таъсири мутакобилаи занчираи нуклеотидй (ЗН) бо нанозаррачах,ои тилло (НЗ) дар наздикшавии як равиши муносиб ва вокеъй афзоиш меёбад. Хисобх,ои силсилаи динамикаи молекулй (ДМ) бо моделхри гуногуни ЗН-НЗ-НТК анчом дода шуда, хусусияти молекулавии равандх,ои хдмгироии ЗН-НЗ мутобик ба матритсаи НТК бо худудх,ои даврй омухта шудааст. Хамзамон, вобастагих,ои энергияи пурраи иктидори система, алокаи печидагих,о ва кунчх,ои дохили молекулявии ЗН дар хдрорати гуногун сохта шудаанд. Инчунин хусусиятх,ои энергетикй ва сохторх,ои системаи ЗН-НЗ-НТК дар сатхд молекулй/атомй та^лил карда шудаанд.

Калима^ои калиди: защираи нуклеотидй, нанозаррача^ои тилло, нанотрубкаи карбонй, уудудуои даврй, уамтаьсирии Ван-дер-Ваалсй, динамикаи молекулявй.

M.A.Khusenov, Kh.T.Kholmurodov MOLECULAR-DYNAMICS SIMULATION OF VAN-DER-WAALS SYSTEM OF A NUCLEOTIDE CHAIN WITH GOLD NANOPARTICLES CARBON NANOTUBE WITH PERIODIC BOUNDARIE

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan It is shown that the expansion of the model to the case of periodic carbon nanotube (CNT) allows one to explore the effects of the interaction of the nucleotide chain (NC) with gold nanoparticles (NPs) in a more adequate and realistic approach. A series of molecular dynamics (MD) calculations with different NC-NP-CNT models were studied and the feature of molecular interaction processes between the NC-NP caused by a CNT periodic boundaries was explored. The total potential energy, angular and torsion (dihedral) intramolecular NC bond energies at different temperatures were built and compared. The structural and energy characteristics of the NC-NP-CNT system were analyzed on atomistic/molecular detail. Key words: nucleotide chain, gold nanoparticles, carbon nanotube, periodic boundaries, Van-der-Waals interactions, molecular dynamics.