phmathВестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-МатематикаBulletin of Federal State University of Education. Series: Physics and Mathematics2949-50832949-5067Federal State University of Education10.18384/2949-5067-2025-4-200phmath-731Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМолекулярно-динамические расчёты кластеров графена и оксида графена в растворе и у поверхности бактериальных внутриклеточных полимеровMolecular Dynamics Simulation of Graphene and Graphene Oxide Clusters in Solution and at the Surface of Bacterial Intracellular Polymershttps://orcid.org/0000-0001-6091-7476ТерешкинЭ. В.TereshkinE.

Эдуард Владимирович Терешкин, научный сотрудник

отдел строения вещества

Москва

Eduard V. Tereshkin, Researcher

Department of Structure of Matter

Moscow

ramm@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1165-5224ТерешкинаК. Б.TereshkinaK.

Ксения Борисовна Терешкина, кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник

отдел строения вещества

Москва

Ksenia B. Tereshkina, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

Department of Structure of Matter

Moscow

ksenia.tereshkina@chph.ras.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2994-4799КрупянскийЮ. Ф.KrupyanskiiYu.

Юрий Федорович Крупянский, доктор физико-математических наук, заведующий отделом

отдел строения вещества

Москва

Yurii F. Krupyanskii, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Departmental Head

Department of Structure of Matter

Moscow

yuriifkru@gmail.comФедеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова Российской академии наукРоссияN. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian Federation202519042026044258Copyright © Терешкин Э.В., Терешкина К.Б., Крупянский Ю.Ф., 20262026Терешкин Э.В., Терешкина К.Б., Крупянский Ю.Ф.Tereshkin E., Tereshkina K., Krupyanskii Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.physmathmgou.ru/jour/article/view/731   Цель

   Цель: выявить особенности динамического поведения гексагональных наночастиц графена и оксида графена в растворе и у поверхности комплексов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с ДНК-стабилизирующим белком Dps.

   Процедура и методы

   Процедура и методы. На основании квантово-химических расчётов определены структуры, парциальные заряды и другие параметры молекулярно-динамических силовых полей для гексагональных наночастиц графена с разным количеством кислород-содержащих групп. Используя полноатомное приближение, методами молекулярной динамики проведены расчёты динамики графеновых наночастиц в растворе и у поверхности бактериальных биополимеров.

   Результаты

   Результаты. Показано, что наночастицы графена и оксида графена образуют кластеры в растворе и у поверхности белков и ДНК. Показано, что графеновые наночастицы могут оказывать влияние на динамику ДНК и ДНК-связывающего белка Dps, приводя к изменениям в структуре комплексов ДНК – белок.

   Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные представляют практический интерес для исследователей структуры биологических молекул и их комплексов при воздействии графеновых наночастиц графена, оксида графена, восстановленного оксида графена. Также данные могут быть использованы при создании наноматериалов с заданными свойствами, которые сочетают нано-биоинтерфейс.

   Aim is to identify the features of the dynamic behavior of hexagonal graphene and graphene oxide nanoparticles in solution and at the surface of deoxyribonucleic acid (DNA) complexes with the DNA-binding protein Dps.

   Methodology

   Methodology. Based on quantum chemical calculations, the structures, partial charges, and other parameters of molecular dynamics force fields for hexagonal graphene nanoparticles with varying numbers of oxygen-containing groups were determined. Using the all-atom approximation, molecular dynamics simulations were performed to obtain the dynamics of graphene nanoparticles in solution and at the surface of bacterial biopolymers.

   Results

   Results. Graphene and graphene oxide nanoparticles have been shown to form clusters in solution and at the surface of proteins and DNA. Graphene nanoparticles can influence the dynamics of DNA and the DNA-binding protein Dps, leading to changes in the structure of DNA-protein complexes.

   Research implications

   Research implications. The obtained data are of practical interest to researchers studying the structure of biological molecules and their complexes exposed to graphene nanoparticles (graphene, graphene oxide, and reduced graphene oxide). These data can also be used to create nanomaterials with tailored properties that combine nano-biointerfaces.

взаимодействие биомолекул с графеномнаноматериалграфеноксид графенабактериальный белокмолекулярная динамикаэлектростатический потенциалinteraction of biomolecules with graphenenanomaterialgraphenegraphene oxidebacterial proteinmolecular dynamicselectrostatic potentialРабота выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (№ 125012200614-6)Research was performed within frameworks of the state tasks for FRC CP RAS of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (125012200614-6)ReferencesМоделирование атомных конфигураций нанокристаллов на стадии зародышеобразования / Н. Д. Жуков, А. А. Клецов, Д. С. Мосияш, В. В. Беляев // Вестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-Математика. 2024. № 2. С. 6–18. DOI: 10.18384/2949-5067-2024-2-6-18.Zhukov, N. D., Kletsov, A. A., Mosiyash, D. S. & Belyaev, V. V. (2024). Modelling of nanocrystals atomic configurations at nuclei formation. In: Bulletin of Federal State University of Education. Series: Physics and Mathematics, 2, 6–18. DOI: 10.18384/2310-7251-2024-2-6-18 (in Russ.).Nanomaterials in biology and medicine: a new perspective on its toxicity and applications / J. Saravanan, A. Nair, S. S. Krishna, V. Viswanad // Drug and Chemical Toxicology. 2024. Vol. 47. Iss. 5. P. 767–784. DOI: 10.1080/01480545.2024.2340002.Saravanan, J., Nair, A., Krishna, S. S. & Viswanad, V. (2024). Nanomaterials in biology and medicine: a new perspective on its toxicity and applications. In: Drug and Chemical Toxicology, 47 (5), 767–784. DOI: 10.1080/01480545.2024.2340002.Wang E. C., Wang A. Z. Nanoparticles and their applications in cell and molecular biology // Integrative Biology. 2014. Vol. 6. Iss. 1. P. 9–26. DOI: 10.1039/c3ib40165k.Wang, E. C. & Wang, A. Z. (2014). Nanoparticles and their applications in cell and molecular biology. In: Integrative Biology, 6 (1), 9–26. DOI: 10.1039/c3ib40165k.Metal-Based Nanoparticles: Antibacterial Mechanisms and Biomedical Application / D. Franco, G. Calabrese, S. P. P. Guglielmino, S. Conoci // Microorganisms. 2022. Vol. 10. No. 9. Article 1778. DOI: 10.3390/microorganisms10091778.Franco, D., Calabrese, G. Guglielmino, S. P. P. & Conoci, S. (2022). Metal-Based Nanoparticles: Antibacterial Mechanisms and Biomedical Application. In: Microorganisms, 10 (9), 1778. DOI: 10.3390/microorganisms10091778.Carbon nanomaterials against pathogens; the antimicrobial activity of carbon nanotubes, graphene/graphene oxide, fullerenes, and their nanocomposites / M. Azizi-Lalabadi, H. Hashemi, J. Feng, S. M. Jafari // Advances in Colloid and Interface Science. 2020. Vol. 284. Article 102250. DOI: 10.1016/j.cis.2020.102250.Azizi-Lalabadi, M., Hashemi, H., Feng, J. & Jafari, S. M. (2020). Carbon nanomaterials against pathogens; the antimicrobial activity of carbon nanotubes, graphene/graphene oxide, fullerenes, and their nanocomposites. In: Advances in Colloid and Interface Science, 284, 102250. DOI: 10.1016/j.cis.2020.102250.Вековищев М. П., Кирсанов Е. А. Вязкоупругость углеродных нанотрубок в полимерной матрице // Вестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-Математика. 2024. № 1. С. 6–19. DOI: 10.18384/2949-5067-2024-1-6-19.Vekovishchev, M. P. & Kirsanov, E. A. (2024). Viscoelasticity of carbon nanotubes in a polymer matrix. In: Bulletin of Federal Sate University of Education. Series: Physics and Mathematics, 1, 6–19. DOI: 10.18384/2949-5067-2024-1-6-19 (in Russ.).Чаусов Д. Н., Смирнов Н. Н. Моделирование поверхности углеродной нанотрубки // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика – Математика. 2011. № 3. C. 97–101.Chausov, D. N. & Smirnov, N. N. (2011). Simulation of carbon nanotube surface. In: Bulletin of Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics, 2011, 3, 97–101 (in Russ.).Терешкин Э. В., Терешкина К. Б., Крупянский Ю. Ф. Молекулярно-динамические расчёты адсорбции и подвижности биомолекул на поверхности графеновых подложек // Вестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-Математика. 2023. № 4. С. 49–63. DOI: 10.18384/2949-5067-2023-4-49-63.Tereshkin, E. V., Tereshkina, K. B. & Krupyanskii, Yu. F. (2023). Molecular dynamic of the adsorption and mobility of biomolecules on graphene sheets. In: Bulletin of the Federal State University of Education. Series: Physics and Mathematics, 4, 49–63. DOI: 10.18384/2949-5067-2023-4-49-63 (in Russ.).Высикайло Ф. И. Аналитическое описание спектров излучения стоячих экситонов большого радиуса в кристаллах IV группы элементов, легированных бором // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика – Математика. 2013. № 3. C. 36–45.Vysikaylo, Ph. I. (2013). Analytical description of the emission spectra of standing large-radius excitons in crystals of group IV elements, boron-doped. In: Bulletin of Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics, 3, 36–44 (in Russ.).Mechanisms of action of the antibiotic ciprofloxacin on the DNA-binding protein Dps detected by molecular modeling techniques / K. B. Tereshkina, E. V. Tereshkin, V. V. Kovalenko, Yu. F. Krupyanskii, N. G. Loiko // Mendeleev Communications. 2025. Vol. 35. Iss. 2. P. 148–151. DOI: 10.71267/mencom.7567.Tereshkina, K. B., Tereshkin, E. V., Kovalenko, V. V., Krupyanskii, Yu. F. & N. G. Loiko (2025). Mechanisms of action of the antibiotic ciprofloxacin on the DNA-binding protein Dps detected by molecular modeling techniques. In: Mendeleev Communications, 35 (2), 148–151. DOI: 10.71267/mencom.7567.Особенности связывания ДНК с двумерными кристаллами бактериального белка DPS Escherichia coli на основе данных молекулярной динамики / Э. В. Терешкин, К. Б. Терешкина, Н. Г. Лойко, В. В. Коваленко, Ю. Ф. Крупянский // Химическая физика. 2024. Т. 43. № 12. С. 84–94. DOI: 10.31857/S0207401X24120086.Tereshkin, E. V., Tereshkina, K. B., Loiko, N. G., Kovalenko, V. V. & Krupyanskii, Y. F. (2024). Pecularities of DNA binding to two-dimensional crystals of bacterial protein DPS from escherichia coli based on molecular dynamics data. In: Advances in Chemical Physics, 43 (12), 84–94 DOI: 10.31857/S0207401X24120086 (in Russ.).The Dps Protein Protects Escherichia coli DNA in the Form of the Trimer / V. Kovalenko, K. Tereshkina, A. Moiseenko, Y. L. Ryzhykau, A. I. Kuklin, E. Tereshkin, P. Zaytsev, A. Generalova, N. Persiyantseva, O. S. Sokolova, Y. Krupyanskii and N. Loiko // International Journal of Molecular Sciences. 2025. Vol. 26. Iss. 2. Article 619. DOI: 10.3390/ijms26020619.Kovalenko, V., Tereshkina, K., Moiseenko, A., Ryzhykau, Y. L., Kuklin, A. I., Tereshkin, E., Zaytsev, P., Generalova, A., Persiyantseva, N., Sokolova, O.S., Krupyanskii, Y. & Loiko N. (2025). The Dps protein protects Escherichia coli DNA in the form of the trimer. In: International Journal of Molecular Science, 26 (2), 619. DOI: 10.3390/ijms26020619.Floating gate memory with charge storage dots array formed by Dps protein modified with site-specific binding peptides / H. Kamitake, M. Uenuma, N. Okamoto, M. Horita, Y. Ishikawa, I. Yamashita, Y. Uraoka // Nanotechnology. 2015. Vol. 26. Iss. 19. Article 195201. DOI: 10.1088/0957-4484/26/19/195201.Kamitake, H., Uenuma, M., Okamoto, N., Horita, M., Ishikawa Y, Yamashita I. & Uraoka, Y. (2015). Floating gate memory with charge storage dots array formed by Dps protein modified with site-specific binding peptides. In: Nanotechnology, 26 (19), 195201. DOI: 10.1088/0957-4484/26/19/195201.Yamashita I. Biological path for functional nanostructure fabrication and nanodevices // Surface Innovations. 2016. Vol. 4. Iss. 3. P. 111–120. DOI: 10.1680/jsuin.16.00015.Yamashita, I. (2016). Biological path for functional nanostructure fabrication and nanodevices. In: Surface Innovations, 4 (3), 111–120. DOI: 10.1680/jsuin.16.00015.Bacterioferritin nanocage: Structure, biological function, catalytic mechanism, self-assembly and potential applications / M. Guo, M. Gao, J. Liu, N. Xu, H. Wang // Biotechnology Advances. 2022. Vol. 61. Article 108057. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2022.108057.Guo, M., Gao, M., Liu, J., Xu, N. & Wang, H. (2022). Bacterioferritin nanocage: Structure, biological function, catalytic mechanism, self-assembly and potential applications. In: Biotechnology Advances, 61, 108057. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2022.108057.NMR-based structural modeling of graphite oxide using multidimensional 13C solid-state NMR and ab initio chemical shift calculations / L. B. Casabianca, M. A. Shaibat, W. W. Cai, S. Park, R. Piner, R. S. Ruoff, Y. Ishii // Journal of the American Chemical Society. 2010. Vol. 132. Iss. 16. P. 5672–5676. DOI: 10.1021/ja9030243.Casabianca, L. B., Shaibat, M. A., Cai, W. W., Park, S., Piner, R., Ruoff, R. S. & Ishii, Y. (2010). NMR-based structural modeling of graphite oxide using multidimensional 13C solid-state NMR and ab initio chemical shift calculations. In: Journal of the American Chemical Society, 132 (16), 5672–5676. DOI: 10.1021/ja9030243.GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers / M. J. Abraham, T. Murtola, R. Schulz, S. Páll, J. C. Smith, B. Hess, E. Lindahl // SoftwareX. 2015 Vol. 1-2. P. 19–25. DOI: 10.1016/j.softx.2015.06.001.Abraham, M. J., Murtola, T., Schulz, R., Páll, S., Smith, J. C., Hess, B. & Lindahl, E. (2015). GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. In: SoftwareX, 1-2, 19–25.Intracellular ion concentrations and cation-dependent remodelling of bacterial MreB assemblies / D. Szatmári, P. Sárkány, B. Kocsis, T. Nagy, A. Miseta, S. Barkó, B. Longauer, R. C. Robinson, M. Nyitrai // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. Article 12002. DOI: 10.1038/s41598-020-68960-w.Szatmári, D., Sárkány, P., Kocsis, B., Nagy, T., Miseta, A., Barkó, S., Longauer, B. R., Robinson, C. & Nyitrai, M. (2020). Intracellular ion concentrations and cation-dependent remodelling of bacterial MreB assemblies. In: Scientific Reports, 10, 12002. DOI: 10.1038/s41598-020-68960-w.Sorin E. J., Pande V. S. Exploring the helix-coil transition via all-atom equilibrium ensemble simulations // Biophysical Journal. 2005. Vol. 88. Iss. 4. P. 2472–2493. DOI: 10.1529/biophysj.104.051938.Sorin, E. J. & Pande, V. S. (2005). Exploring the helix-coil transition via all-atom equilibrium ensemble simulations. In: Biophysical Journal, 88 (4), 2472–2493. DOI: 10.1529/biophysj.104.051938.PARMBSC1: A refined force field for DNA simulations / I. Ivani, P. D. Dans, A. Noy, A. Pérez, I. Faustino, A. Hospital, J. Walther, P. Andrio, R. Goñi, A. Balaceanu, G. Portella et al. // Nature Methods. 2016. Vol. 13. Iss. 1. P. 55–58. DOI: 10.1038/nmeth.3658.Ivani, I., Dans, P. D., Noy, A., Pérez, A., Faustino, I., Hospital, A., Walther, J., Andrio, P., Goñi, R., Balaceanu, A., Portella, G. & et al. (2016). PARMBSC1: A refined force field for DNA simulations. In: Nature Methods, 13 (1), 55–58. DOI: 10.1038/nmeth.3658.Spackman M. A. Potential derived charges using a geodesic point selection scheme // Journal of Computational Chemistry. 1996. Vol. 17. Iss. 1. P. 1–18. DOI: 10.1002/(SICI)1096-987X(19960115)17:1<1::AID-JCC1>3.0.CO;2-V.Spackman, M. A. (1996). Potential derived charges using a geodesic point selection scheme. In: Journal of Computational Chemistry, 1996. Vol. 17. P. 1-18. DOI: 10.1002/(SICI)1096-987X(19960115)17:1<1::AID-JCC1>3.0.CO;2-V.Automatic atom type and bond type perception in molecular mechanical calculations / J. Wang, W. Wang, P. A. Kollman, D. A. Case et al. // Journal of Molecular Graphics and Modelling. 2006. Vol. 25. Iss. 2. P. 247–260. DOI: 10.1016/j.jmgm.2005.12.005.Wang, J., Wang, W., Kollman, P. A., Case, D. A. & et al. (2006). Automatic atom type and bond type perception in molecular mechanical calculations. In: Journal of Molecular Graphics and Modelling, 25 (2), 247–260. DOI: 10.1016/j.jmgm.2005.12.005A fast and high-quality charge model for the next generation general AMBER force field / X. He, V. H. Man, W. Yang, T. S. Lee, J. Wang // Journal of Chemical Physics. 2020. Vol. 153. Iss. 11. Article 114502. DOI: 10.1063/5.0019056.He, X., Man, V. H., Yang, W., Lee T. S. & Wang, J. (2020). A fast and high-quality charge model for the next generation general AMBER force field. In: Journal of Chemical Physics, 153 (11), 114502. DOI: 10.1063/5.0019056.The double cubic lattice method: Efficient approaches to numerical integration of surface area and volume and to dot surface contouring of molecular assemblies / F. Eisenhaber, P. Lijnzaad, P. Argos, C. Sander, M. Scharf // Journal of computational chemistry. 1995. Vol. 16. Iss. 3. P. 273–284. DOI: 10.1002/jcc.540160303.Eisenhaber, F., Lijnzaad, P., Argos, P., Sander, C., & Scharf, M. (1995). The double cubic lattice method: Efficient approaches to numerical integration of surface area and volume and to dot surface contouring of molecular assemblies. In: Journal of computational chemistry, 16 (3), 273–284. DOI: 10.1002/jcc.540160303

The authors declare that there are no conflicts of interest present.