Размещено на http://www.allbest.ru/

Центр лазерной и информационной биофизики

Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

Молекулярная динамика адсорбции полипептидов на поверхности золотого наностержня и перспективы плазмонного управления процессами

Кручинин Н.Ю.

Кучеренко М.Г.

Золотые наночастицы и наностержни, покрытые полимерными цепями, широко применяются в биомедицинских исследованиях, а также в различных сенсорах, например, в сенсорах на основе эффекта гигантского комбинационного рассеяния [1-4] или датчике молекулярного (в том числе - синглетного) кислорода [5-6]. В качестве такой гибридной наносистемы может быть использован золотой наностержень (нанопровод), на котором адсорбирована макромолекула полипептида. Особый интерес вызывает использование полиамфолитных полипептидов, заряженные аминокислотные остатки которых могут являться центрами адсорбции молекул органических красителей, находящихся в растворе в ионной форме [6-7]. Поэтому большое значение имеет изучение конформационной структуры полиамфолитных полипептидов с учетом характера расположения заряженных звеньев на поверхности золотого наностержня.

Радиальные распределения концентрации атомов полипептида, рассчитанные по результатам моделирования методом молекулярной динамики на поверхности адсорбента, могут аппроксимироваться радиальными зависимостями, которые получены для идеальной макромолекулы с гауссовым распределением звеньев на основе специальной математической модели конформационной структуры полимера методами статистической теории макромолекул [6-7].

Поэтому было произведено молекулярно-динамическое моделирование (МД-моделирование) для трех разных полипептидов на поверхности золотого наностержня радиусом R=2.5 нм:

1) A80R10D10 - полипептид, состоящий из 80 звеньев ALA, по цепи которого равномерно распределены 10 звеньев ARG и 10 звеньев ASP;

2) A60R20D20 - полипептид, состоящий из 60 звеньев ALA и равномерно распределенных попарно 20 звеньями ARG и 20 звеньями ASP;

3) A92R4D4 - полипептид, состоящий из 92 звеньев ALA и равномерно распределенных попарно 4 звеньями ARG и 4 звеньями ASP.

В стартовой конфигурации полипептид находился около поверхности золотого наностержня, свернутый в неравновесную клубковую структуру - три разные стартовые позиции клубка для каждого полипептида.

МД-моделирование производилось с использованием программного комплекса NAMD 2.12 [8] при постоянной температуре 300 К с шагом по времени 0.001 пс в воде в течение 15 нс. Данного времени было достаточно для получения равновесных конформаций полипептидов. Для контроля получения равновесных конформаций осуществлялось наблюдение за изменением среднеквадратичного расстояния между атомами полипептида в различных конформациях (RMSD). Использовалось силовое поле CHARMM22 [9]. Взаимодействие с золотым наностержнем описывалось потенциалом Леннард-Джонса (потенциал 6-12), разработанным в работе [10]. Потенциал Ван-дер-Ваальса обрезался на расстоянии 1.2 нм с помощью функции сглаживания между 1.0 и 1.2 нм. Электростатические взаимодействия рассчитываются непосредственно на расстоянии 1.2 нм, для более дальних дистанций использовался метод частица-сетка Эвальда (PME) [11] с шагом сетки 0.11 нм.

По результатам МД-моделирования на конечном стационарном участке траектории по полученным конформациям рассчитывалось среднее радиальное распределение концентрации атомов макромолекулы на поверхности наностержня с дифференциацией по типам звеньев. По полученным средним на конечном стационарном участке распределениям концентрации атомов из разных стартовых клубков для каждого полипептида рассчитывалось полное среднее радиальное распределение.

Для каждого полипептида без различия по типам звеньев проводилась аппроксимация полного среднего радиального распределения концентрации атомов формулами, полученными методами статистической теории макромолекул [5-7].

Рис. 1. Макромолекула A80R10D10 (А) на поверхности золотого наностержня после МД-моделирования (синим цветом изображены звенья ALA, белым - ARG, красным - ASP) и средние радиальные зависимости концентрации атомов полипептида с дифференциацией по типам звеньев (Б) (pep - средняя радиальная зависимость концентрации атомов по всем атомам полипептида; ala, arg и asp - средние радиальные зависимости концентрации атомов по типам аминокислотных остатков; цифрой 1 - обозначена аппроксимирующая кривая)

Было произведено МД-моделирование для каждого полипептида из трех разных стартовых клубков на поверхности золотого наностержня. Во всех случаях происходила адсорбция полипептидов. На рисунках изображены одни из результатов МД-моделирования полипептидов A80R10D10 (рис. 1А), A60R20D20 (рис 2А) на поверхности золотого наностержня через 15 нс. Были получены полные средние радиальные зависимости концентрации атомов полипептида с дифференциацией по типам звеньев (рис. 1Б и 2Б). Согласно формулам, полученным методами статистической теории макромолекул, были построены аппроксимирующие кривые (рис. 1Б и 2Б) к распределениям средней радиальной концентрации атомов полипептида без различия по типам звеньев. Аналогичные результаты были получены и для полипептида A92R4D4 (рис. 3).

Рис. 2. Макромолекула A60R20D20 (А) на поверхности золотого наностержня после МД-моделирования и средние радиальные зависимости концентрации атомов полипептида с дифференциацией по типам звеньев (Б)

Как видно из рисунков средние радиальные зависимости концентрации атомов полипептида A80R10D10 (рис. 1Б), A60R20D20 (рис. 2Б) и A92R4D4 (рис. 3Б) хорошо аппроксимируется формулами, полученными методами статистической теории макромолекул, а средние радиальные зависимости концентрации атомов по отдельным звеньям схожи с профилем радиальной концентрации всего полипептида. Различия в значениях концентрации атомов по типам звеньев обусловлены как разным количеством звеньев в макроцепи, так и количеством атомов в различных аминокислотных остатках (24 атома ARG, 12 атомов ASP и 10 атомов ALA).

Рис. 3. Макромолекула A92R4D4 (А) на поверхности золотого наностержня после МД-моделирования и средние радиальные зависимости концентрации атомов полипептида с дифференциацией по типам звеньев (Б)

Такие структуры можно использовать при создании люминесцентно-оптического измерителя концентрации молекулярного (в том числе - синглетного) кислорода, а также в датчиках на основе эффекта поверхностного плазмонного резонанса или эффекта гигантского комбинационного рассеяния.

Влияние плазмонных мод наноцилиндра на адсорбционные свойства и конформационную динамику полипептидов

Возбуждение плазмонных мод в наноцилиндре, существенно различающихся как по типу (симметрии), так и по частотам, может оказывать значительное влияние и на процессы адсорбции-десорбции макроцепей полиамфолитов [12]-[14], и на процессы конформационных перестроек полимерного опушечного слоя. Но если эффект усиления-ослабления притяжения звеньев к поверхности цилиндра будет заметным при активации высокочастотных плазмонных мод - в диапазоне частот плазмонного резонанса, то инициация конформационных переходов макроцепи вблизи наностержня становится возможной лишь при возбуждении в нем СВЧ-мод. В последнем случае следует говорить не о плазмонном резонансе (как будет показано далее, резонанса как такового и нет), а о плазмонной активации конформационной подвижности фрагментов полипептида.

Необходимо отметить, что немаловажную роль в случае СВЧ-мод, и просто определяющую - в случае проявления в адсорбции плазмонного резонанса играет специфика кривизны цилиндрической поверхности проводника. Напряженность локального поля вблизи этой поверхности многократно превышает напряженность поля в отсутствие наноцилиндра на резонансных частотах и заметно увеличивается в некоторой области за счет деформации однородной картины в случае низких частот.

Модификация адсорбционных свойств полипептидов в локальном поле на частотах плазмонного резонанса. Будем рассматривать два характерных случая активации высокочастотных плазмонных мод в цилиндре: а) при поперечной относительно оси z цилиндра ориентации вектора внешнего однородного монохроматического (на частоте) поля, вызывающего вынужденные колебания поверхностной плотности заряда - локализованные плазмоны; б) квазиодномерные поверхностные плазмоны, распространяющиеся вдоль z. В случае физической адсорбции характерная энергия притяжения звена макромолекулярной цепи отстоящего от поверхности цилиндра на расстоянии может быть оценена в единицах тепловой энергии kT как [15]

где - диагональный тензор, - тензор дипольной (d) динамической электронной поляризуемости мономера цепи

.

Модификация выражения для характерной энергии адсорбции в случае поверхности металла дает следующий результат (- сила осциллятора электронного перехода ) [15]

В случае а) напряженность квазистатического поля вне цилиндра, т.е. при и помещении его в поле имеет вид [16]

.

На частоте плазмонного резонанса , и в модели проводящей среды Друде , где , pl - плазменная частота металла, , из (1) следует, что обе компоненты поля E2x и E2y резко возрастают в раз. Обычно для хорошо проводящих металлов (Ag, Au) [17].

В случае б) - делокализованных квазиодномерных плазмонов компоненты вектора напряженности поля вне нанопровода () имеют вид [18] радиальный концентрация атом полипептид

.

Здесь в (2)-(4) - функции Ханкеля первого рода, kz - продольное волновое число, an, bn - константы. Волновые числа становятся чисто мнимыми величинами при и определяют затухание амплитуды напряженности поля по нормали к поверхности нанопроволоки. Тогда функции Ханкеля удобно представить через функции Бесселя мнимого аргумента . Диэлектрическая проницаемость металла обладает сильной частотной дисперсией, в отличие от диэлектрической постоянной среды , окружающей нанопроволоку, с - скорость света в вакууме. Частоты продольных поверхностных плазмонов определяются из решения дисперсионного уравнения [18]

,

где - функции Бесселя первого рода мнимого аргумента. Однако в квазистатическом приближении, коэффициенты , и утрачивают зависимость от частоты. Учитывая, что в модели Друде , из (5) следует [19]

.

Для осесимметричной ТМ0-моды поверхностных плазмонов (n = 0) закон дисперсии (6) принимает форму

, ,

и становится практически неотличимым от (5) для наноцилиндров малого радиуса. В асимптотике получаем и , как в случае локализованного плазмонного резонанса (1).

Инициация конформационных переходов макроцепи локальным СВЧ-полем

Уменьшение частоты поля на 5-6 порядков, т.е. переход в диапазон ГГц резко изменяет характер отклика макроцепной структуры металлополимерного композита на действие поля. По-прежнему будем анализировать и поле поперечных мод локализованных плазмонов (1), и поле (2)-(4) квазиодномерных поверхностных плазмонов с дисперсионным законом (7). В диапазоне СВЧ выполняется сильное неравенство . По этой причине фактор усиления локального поля , обеспечивающий яркий эффект плазмонного резонанса имеет, теперь, нулевой порядок . Тем не менее, перераспределение модуля напряженности в локальном поле имеет место в пределах величин одного порядка. Так, при из (1) получаем вблизи поверхности цилиндра , а при уже , т.е. ощутимое изменение напряженности локального поля.

Для осесимметричной ТМ0-моды поверхностных плазмонов с законом дисперсии (7) низкочастотный участок приходится на длинноволновую асимптотику , и тогда из (17) получаем потому что и тогда . Например частоте ГГц отвечает см-1 и соответственно величина.

Поле с компонентами напряженности (2)-(4) будет непосредственно воздействовать на заряженные участки фрагментов полиамфолита и электронейтральные участки с большим статическим дипольным моментом. При соразмерности частот конформационных переходов цепи с частотами поля можно ожидать проявления конформационного резонанса в перестройке макромолекулярной структуры опушечного слоя. Вблизи поверхности наноцилиндра этот эффект должен быть особенно заметным из-за относительно высоких значений амплитуды локальных полей.

Следует отметить, что, безусловно, возможно и вполне ожидаемо неспецифическое влияние СВЧ-поля на десорбцию малых молекул и макроцепей благодаря тепловому эффекту поля. Мы оставляем здесь этот вопрос без детального обсуждения, хотя он, несомненно, должен приниматься во внимание при планировании эксперимента и анализе его результатов. Таким образом, нанокомпозиты, представляющие собой проводящие цилиндры с полипептидной оболочкой являются перспективными объектами молекулярной сенсорики и наноэлектроники ввиду открывающихся возможностей плазмонного управления структурными характеристиками макромолекулярной опушки таких систем в различных спектральных диапазонах.

Список литературы

1. Yan, X. One-pot synthesis of polypeptide-gold nanoconjugates for in vitro gene transfection/ X. Yan, J. Blacklock, J. Li, H. Mцhwald // ACS Nano. - 2012. - V. 6. - Is.1. - P. 111-117.

2. Mirabbaszadeh, K. Investigation of adsorption of polymers on metallic nanowires: A molecular dynamics study / K. Mirabbaszadeh, E. Zaminpayma // Applied Surface Science. - 2012. - V. 261. - P. 242-246.

3. Yang, Y. Encapsulation of gold nanoparticles into self-assembling protein nanoparticles / Y. Yang, P. Burkhard // Journal of Nanobiotechnology. - 2012. - V. 10:42.

4. Sisco, P.N. Adsorption of Cellular Proteins to Polyelectrolyte-Functionalized Gold Nanorods: A Mechanism for Nanoparticle Regulation of Cell Phenotype?/ Sisco PN, Wilson CG, Chernak D, Clark JC, Grzincic EM, Ako-Asare K, et al. // PLoS ONE. - 2014. - V. 9(2): e86670.

5. Кучеренко, М.Г. Кинетика диффузионно-контролируемых фотореакций в приповерхностном слое фуллерен-тубуленовой наночастицы с адсорбированной полимерной цепью / М.Г. Кучеренко, С.В. Измоденова, Т.М. Чмерева, Н.Ю. Кручинин, Н.С. Подрезова // Вестник ОГУ. - 2013. - №9. C. 100-109.

6. Кручинин, Н.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование конформационной структуры полиамфолитов на поверхности золотой наночастицы / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Сибирский физ. журн. 2018. - Т. 18. - № 2. - С. 86-94.

7. Кручинин, Н.Ю. Молекулярно-динамическое моделирование адсорбции полипептидов с фотоактивными молекулами поверхностью углеродной нанотрубки / Н.Ю. Кручинин, М.Г. Кучеренко // Хим. физика и мезоскопия. - 2016. - Т. 13. - № 2. - С. 225.

8. Phillips, J.C. Scalable molecular dynamics with NAMD / J.C. Phillips, R. Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, C. Chipot, R.D. Skeel, L. Kale, K. Schulten // Journal of Computational Chemistry. - 2005. - V. 26. - P. 1781-1802.

9. MacKerell Jr., A. D. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins / A. D. MacKerell Jr., D. Bashford, M. Bellott, R. L. Dunbrack Jr., J. D. Evanseck, M. J. Field, S. Fischer, J. Gao, H. Guo, S. Ha, D. Joseph-McCarthy, L. Kuchnir, K. Kuczera, F. T. K. Lau, C. Mattos, S. Michnick, T. Ngo, D. T. Nguyen, B. Prodhom, W.E. Reiher III, B. Roux, M. Schlenkrich, J. C. Smith, R. Stote, J. Straub, M. Watanabe, J. Wiorkiewicz-Kuczera, D. Yin, M. Karplus // Journal of Physical Chemistry B. - 1998. - V. 102. - P. 3586-3616.

10. Heinz, H. Accurate Simulation of Surfaces and Interfaces of Face-Centered Cubic Metals Using 12?6 and 9?6 Lennard-Jones Potentials / H. Heinz, R.A. Vaia, B.L. Farmer, R.R. Naik // J. Phys. Chem. C. - 2008. - V. 112. - Is. 44. - P. 17281-17290.

11. Darden, T. Particle mesh ewald: An n log(n) method for ewald sums in large systems / T. Darden, D. York, L. Pedersen // J. Chem. Phys. - 1993. - V. 98, - P. 10089-10092.

12. Браун, О. М. Взаимодействие между частицами, адсорбированными на поверхности металлов / О. М. Браун, В. К. Медведев // Успехи физ. наук. 1989. Т. 157. № 4. С. 631-666.

13. Агеев, В. Н. Десорбция, стимулированная электронными возбуждениями / В. Н. Агеев, О. П. Бурмистрова, Ю. А. Кузнецов // Успехи физ. наук. 1989. Т. 158. № 3. С. 389-420.

14. Браун, О.М. Колебательная спектроскопия адсорбатов / О.М. Браун, А.И. Волокитин, В.П. Жданов // Успехи физ. наук. 1989. Т. 158. № 3. С. 421-450.

15. Бараш, Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса / Ю. С. Бараш. Москва: Наука. 1988. - 344 с.

16. Новотный, Л. Основы нанооптики / Л. Новотный, Б.Хехт. - М.: Физматлит, 2009. - 483 c.

17. Климов, В.В. Наноплазмоника / В.В. Климов. М.: Физматлит. 2009. - 480 с.

18. Стрэттон, Дж. А. Теория электромагнетизма / Дж. А. Стрэттон. - Москва- Ленинград : ОГИЗ. 1948 . - 540 с.

19. Кучеренко, М. Г. Перенос энергии в цилиндрической наноструктуре, состоящей из металлической жилы и коаксиальной оболочки с молекулами люминофора / М. Г. Кучеренко, Т. М. Чмерева // Журнал приклад. спектр. 2017. -Т. 84. -№ 3. - С. 358-367.

Размещено на Allbest.ru