Молекулярно-динамические расчёты кластеров графена и оксида графена в растворе и у поверхности бактериальных внутриклеточных полимеров

   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. 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. 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.

1. Моделирование 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Чаусов Д. Н., Смирнов Н. Н. Моделирование поверхности углеродной нанотрубки // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика – Математика. 2011. № 3. C. 97–101.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. A 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.

24. 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.