ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Комплексы полианионных ДНК с катионными дендримерами являются весьма перспективной системой с точки зрения использования в генной терапии. Считается, структура комплексов влияет на эффективность трансфекции генов, однако, влияние различных параметров системы (номер генерации дендримера, плотность его заряда, заряд и концентрация соли и др.) на структуру комплекса остается в значительной степени неисследованным. Разрешение структуры комплексов ДНК с дендримерами также представляет интерес для понимания механизма комплексообразования ДНК с гистонами, так как дендримеры некоторых генераций геометрически подобны гистонам. Целью настоящего проекта является проведение совместных исследований самоорганизации комплексов ДНК с дендримерами в широком диапазоне генераций дендримеров с помощью экспериментальных и теоретических методов, а также с помощью компьютерного моделирования. Используя малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS), малоугловое рассеяние нейтронов (SANS), просвечивающую электронную микроскопию (TEM), атомную силовую микроскопию (AFM), теорию и компьютерное моделирование, мы ожидаем впервые получить полную картину о структуре комплексов ДНК с полиамидоаминными дендримерами (PAMAM) с номером генерации в диапазоне от G2 до G9. Систематическое сравнение между результатами компьютерного моделирования и экспериментальными данными позволит определить ключевые параметры, определяющие формирование структуры исследуемых систем. Этот проект эффективно интегрирует экспериментальные работы, теоретические расчеты и компьютерное моделирование. Мы считаем, что такой междисциплинарный подход позволит нам лучше понять механизмы самоорганизации в существующих системах. Результаты этих исследований будут принципиально важны для настройки свойств и характеристик комплексов ДНК с дендримерами для применения не только в области биомедицины, но также и для создания упорядоченных наноструктур для бионанотехнологии.
Теория и компьютерное моделирование (российская группа). (1) Результаты атомистического и огрубленного МД моделирования одиночных комплексов ДНК / PAMAM (для дендримеров G2-G8 генераций). (2) Результаты огрубленного МД моделирования растворов ДНК / PAMAM (для дендримеров G2-G8 генераций). (3) Теоретическая фазовая диаграмма растворов ДНК и дендримеров для дендримеров от G2 до G8 генераций. (4) Результаты теоретических расчетов статического структурного фактора для различных возможных морфологий, наблюдаемых в эксперименте. Экспериментальные исследования (тайваньская группа): (1) Создание самоорганизующихся структур комплексов ДНК с PAMAM дендримерами генераций от 2-ой до 9-ой в зависимости от соотношения зарядов ДНК и дендримеров, концентрации соли, плотности заряда дендримеров. (2) Морфологические диаграммы для всех исследованных систем. (3) Полный морфологическая диаграмма в зависимости от номера генерации дендримера. Уникальной особенностью данного проекта является сочетание различных методов исследования (физические эксперименты, теория и компьютерное моделирование) для исследования супрамолекулярных структур в системах ДНК и дендримеров. Это исследование, направленное на решение фундаментальных и технологических проблем, в то же время приведет к активному сотрудничеству между учеными из Москвы и Синьчжу, которое благоприятно повлияет на будущее полимерной науки в России и на Тайване. Мы ожидаем, что сможем опубликовать не менее 6 статей в высокорейтинговых журналах (таких, Macromolecules, Soft Matter, Phys. Rev. Lett., JACS и т.д.). Важной задачей в этом проекте будет подготовка молодых ученых. Предполагается, что около 5 молодых ученых из МГУ и 3 из NTHU будет участвовать в проекте. Большинство из них будет работать в тесном сотрудничестве. Такое сотрудничество будет включать в себя краткосрочные и среднесрочные визиты.
В ходе выполнения проекта в 2011-2013 годах были получены следующие важные научные результаты: 1) В рамках теоретических исследований и компьютерного моделирования исследуемых систем в российской группе было выполнено атомистическое МД моделирование одиночных комплексов небольших фрагментов ДНК с дендримерами PAMAM генераций от G3 и до G9 с помощью пакета Gromacs и силового поля OPLS. После этого было выполнено также и огрубленное моделирование с использованием разработанной на первом этапе процедуры огрубления для моделирования ДНК с помощью пакета Gromacs и силового поля Martini. Для некоторых расчетов был также использован пакет Accelrys Materials Studio. Проведена процедура разбиения дендримера промежуточной генерации на мономерные звенья крупнозернистой модели. Проведено уточнение параметров силового поля крупнозернистой модели. Выполнены расчеты структуры комплекса ДНК с дендримерами для небольших участков ДНК и дендримеров разных генераций. Описание некоторых деталей процедуры огрубления, а также некоторые результаты моделирования включены в дополнение к данному отчету (см. приложенный к отчету файл). Совместная с тайваньскими коллегами статья готовится к печати. 2) На основе разработанной в рамках данного проекта модели точечных рассеивателей написана компьютерная программа для расчета структурного фактора. На протяжении всего времени выполнения проекта проводилась модификация модели и программы для расчета новых возможных морфологий (расширение числа и типа доступных для анализа морфологий). Программа позволяет построить различные пространственные структуры, разбитые на кубические частицы, являющиеся эффективными рассеивающими центрами, а также рассчитать их статический структурный фактор и построить кривые малоуглового нейтронного и рентгеновского рассеяния. В частности, был проведен учет флуктуаций в спиральной структуре "намотанных" на дендримеры молекул ДНК и неоднородности распределения положений центров масс молекул дендримеров в пространстве. Программа была использована для теоретических расчетов статического структурного фактора для различных возможных морфологий, наблюдаемых в эксперименте, и последующего сравнения их с экспериментальными данными по малоугловому нейтронному и рентгеновскому рассеянию. Эти результаты обсуждались в ходе взаимных визитов. Совместная с тайваньскими коллегами статья готовится к печати. Некоторые из этих результатов также включены в дополнение к отчету (см. файл, приложенный к отчету). 3) В ходе работ по проекту был выполнен анализ литературы по комплексообразованию в системах жесткоцепных полимеров, к которым относится и макромолекула ДНК, с коллоидными частицами и с дендримерами. Это направление исследований является весьма актуальным, и поэтому соответствующая подборка литературных ссылок вошла в обзор по компьютерному моделированию жесткоцепных полимеров, опубликованный в журнале Высокомолекулярные соединения, серия С (благодарность настоящему проекту добавлена в соответствующий раздел обзора). 4) Разработка методов мультимасштабного моделирования комплексов ДНК с дендримерами ведется в рамках настоящего проекта с использованием результатов выполненных ранее исследований систем сопряженных полимеров. Эти исследования проводились в рамках предыдущих совместных проектов с тайваньскими коллегами. Тогда же были разработаны и основы методики для процедуры огрубления (перехода от атомистической к крупнозернистой модели). За время выполнения данного проекта был достигнут очередной прогресс по системам сопряженных полимеров, и соответствующие методики были использованы в ходе работ на третьем этапе настоящего проекта. Полученные результаты для систем сопряженных полимеров и описание разработанных методик были включены в статью, опубликованную в журнале Journal of Physical Chemistry C. 5) Тайваньскими коллегами получены экспериментальные морфологические диаграммы для комплексов ДНК с дендримерами PAMAM различных поколений (G3-G9). Часть экспериментальных данных включена в дополнительные материалы к отчету (см. приложенный к отчету файл). Более подробное описание экспериментальных результатов тайваньской группы не включено в данный отчет по той причине, что тайваньская сторона просит представить отчет к 31 мая.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2011 г.-31 декабря 2011 г. | Наноструктуры комплексов ДНК/дендримеры - этап 1 |
Результаты этапа: | ||
2 | 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. | Наноструктуры комплексов ДНК/дендримеры - этап 2 |
Результаты этапа: | ||
3 | 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. | Наноструктуры комплексов ДНК/дендримеры - этап 3 |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".