Автореферат (Суперспирализованные анизометрические фазы в системах биомиметиков и целлюлозе)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕНТНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМ.Н.Н. СЕМЕНОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУКНа правах рукописиМИХАЛЕВА МАРИЯ ГЕННАДЬЕВНАCУПЕРСПИРАЛИЗОВАННЫЕ АНИЗОМЕТРИЧЕСКИЕФАЗЫ В СИСТЕМАХ БИОМИМЕТИКОВ И ЦЕЛЛЮЛОЗЕСпециальность 03.01.02 – биофизика, 03.01.08 – биоинженерияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждениинауки Институте химической физики им.

Н.Н. Семенова Российскойакадемии наукНаучные руководители:Стовбун Сергей Витальевичдоктор физико-математических наук,заведующий лабораторией ИХФ РАНЗленко Дмитрий Владимировичкандидат биологических наук, старшийнаучный сотрудник МГУ имени М.В.ЛомоносоваОфициальные оппоненты:Клечковская Вера Всеволодовнадоктор физико-математических наук,профессор, заведующая лабораториейИК РАНХомутов Геннадий Борисовичдоктор физико-математических наук,доцент МГУ имени М.В. ЛомоносоваЛомакин Сергей Модестовичкандидатхимическихнаук,заведующий лабораторией ИБХФ РАНЗащита диссертации состоится 8 июня 2017г. в 17:00 на заседаниидиссертационного совета МГУ.01.04 Московского государственногоуниверситета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 Москва, Ленинскиегоры, д.

1, стр. 2, физический факультет МГУС диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова и на сайте ИАС «ИСТИНА»:https://istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/28357490/Автореферат разослан «___» _________________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационного совета МГУ.01.04,кандидат технических наук1Сидорова А.Э.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена изучению структурно-динамических особенностей имеханизмов формирования суперспирализованных хиральных структур наразличных масштабах биосистем.Актуальность исследованияСистемной основой молекулярной биологии являются хиральныесоединения (углеводы, аминокислоты и липиды).

Гомохиральность этихвеществопределяетвзаимодействийвстереоспецифичностьпроцессахпреобразованиямежмолекулярныхвещества,энергиииинформации. Этот важнейший естественно-научный феномен выражаетнаиболее общий биофизический формализм, известный в настоящее времяне только для молекулярной биологии, но и для биологии в целом.Структурный каркас, составляющий основу любого живого организмасостоит из сильно вытянутых, анизометрических элементов, таких как,например, актиновые филаменты и микротрубочки в клетке, кости ворганизме человека или стебли растения. В силу хиральности биомолекуланизометрические элементы в клетке имеют выраженную тенденцию кобразованию суперспиралей, как это имеет место в случае, например, актинаили коллагена, а во многих случаях наблюдается смена знака хиральных фаз[1].

Четким примером многоуровневой хиральной системы, составленной измножества анизометрических элементов, является клеточная стенка высшихрастений,вкоторойцеллюлозаобразуетанизометрическихструктурчетыреструктурныхсуперспиральных уровня.Появлениеявляетсяочевиднонеобходимым этапом в становлении жизни, причем появление такихструктур должно было произойти на самых ранних этапах эволюции. Приэтом в период появления анизометрических структур еще не существовалоферментов в их нынешнем виде, так как еще не существовало живой клетки,необходимой для отбора и эволюции белков. Таким образом, появление2анизометрических структур не было связанно с "целенаправленной"деятельностью специальных биологических систем, а явилось следствиемособенностей строения тех молекул, которые в те времена были в природе.Процессы спонтанного структурообразования в бинарных смесяхнаблюдаются в двух случаях: либо для сильно анизометричных молекул, вкоторых выделенное направление задается неравенством размеров молекулыпо разным осям, либо в растворах хиральных веществ.

Механика процессаформирования анизометрических структур куда менее очевидна.Важным примером спонтанного структурообразования в растворехиральных изодиаметрических молекул является образование гелей вразбавленныхгомохиральныхрастворахN-трифторацетилированныхα-аминоспиртов (ТФААС) с небольшим объемом заместителей хиральногоатома, что позволило в чистом виде выявить эффекты хиральности.

Приостыванииэтихрастворовформируютсясильноанизометрическиесупрамолекулярные агрегаты, получившие название "струны" [2]. Струныпредставленынесколькимииерархическимиуровнями,начинаяотмолекулярно-тонких, последовательно скручивающихся в более толстыесуперспирализованные струны, которые видны под микроскопом. Болеетого, для толстых струн экспериментально был обнаружен процессмакроскопическогохимическойраскручивания,моделикоторыйпроцессалегнитрованиявосновуфизико-суперспирализованнойцеллюлозной матрицы.Дляописанияпроцессаформированиямолекулярнотонкой,элементарной струны ранее была сформулирована модель стопочноговзаимодействия [3], согласно которой в струне молекулы уложены так, чтотетраэдры, образованные заместителями хирального атома ("хиральныететраэдры"), вложены друг в друга.

При этом хиральность диктуетединственный комплементарный способ укладки, что и приводит кформированиюанизометрическойструктуры3(струны).Этамодельфеноменологически объясняет быстрый рост струны в длину и отсутствиероста в толщину, так как выгодным является только комплементарноевзаимодействие в стопке, которое невозможно на боковой поверхноститакой стопки.

В рамках представленной работы эта модель быласущественно уточнена с помощью метода молекулярной динамики. Так,былопрямопоказано,чтомолекулыТФААСврастворемогутвзаимодействовать основаниями хиральных тетраэдров, либо в соответствиисо стопочной моделью так, что они оказываются вложены друг в друга.Методом молекулярной динамики были оценены энергии дисперсионноговзаимодействия в таких парах, что в дальнейшем позволило использоватьаналогичный подход для оценки энергии комплементарного взаимодействияглюкопиранозных колец целлюлозы.Особое место в ряду хиральных гелаторов занимают холестерин и егопроизводные (важнейшие компоненты биомембран). Экспериментальнобыло показано, что холестерин, агрегируя по мере испарения растворителя(метанола),формируетанизометрическиеструктуры,которыененаблюдаются в случае эргостерола.

Наблюдаемые различия, вероятно,отражают фундаментально разные роли холестерина и эргостерола вмембранах эукариот. В самом деле, тело гриба, в отличие от тела животных,представлено системой ветвящихся нитей (гиф), не взаимодействующихдруг с другом латерально, а животные ткани представлены трехмернымисетками клеток, в которой у каждой клетке множество соседей. Еслипредположить, что на ранних этапах эволюции в основе межклеточнойкоммуникации лежали холестериновые "пилли", то становится понятным,почему эволюция строения тела этих групп эукариот пошла по стольразличным путям.

Молекулярно-динамический подход позволил выявитьразличия в характерных временах внутримолекулярных движений, чтообъясняет наблюдаемые различия в характере структурообразования.4Наиболее крупномасштабным и сложно организованным хиральнымобъектом, рассмотренным в работе, безусловно является клеточная стенкавысших растений. Теоретический анализ структуры целлюлозы, основанныйна понимании принципов организации хиральных супеспирализованныхструктур,позволилпредложитьбиофизическуюмодельпроцессапромышленного нитрования древесной целлюлозы.

Понимание принциповсупрамолекулярных взаимодействий в супеспирализованных структурахпозволило выявить лимитирующую роль макроскопического процессараскручивания суперспирализованных целлюлозных фибрилл в кинетике еенитрования. Поскольку фибриллы целлюлозы имеют суперспиральнуюструктуру, сила трения отдельных элементов внутри фибриллы делаетраскручивание единственным мыслимым механизмом, обеспечивающимдоступнитрующегоагентавнутрьмикрокристаллическихобластей.Полученный результат имеет большое практическое значение, так какпозволяет оптимизировать процесс промышленного нитрования преждевсего древесной целлюлозы.Таким образом, изучение структуры хиральных суперспирализованныхсистем имеет значительный потенциал как для понимания основныхпринциповструктурнойсамоорганизациинаначальныхэтапахдобиологической эволюции, так и для построения моделей, позволяющихоптимизироватьтехнологическиепроцессы,такиекакнитрованиецеллюлозы.Цель и задачи исследованияЦель:механизмовВыявлениеформированияструктурно-динамическиханизометрическихособенностейисуперспирализованныхструктур в системах биомиметиков и целлюлозе.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:1.Методоммолекулярнойдинамикиисследоватьвзаимодействий в гомохиральной паре молекул ТФААС;5специфику2.Экспериментально и методом молекулярной динамики исследоватьособенностивнутримолекулярнойдинамикиинадмолекулярнойсамоорганизации молекул холестерина и эргостерола;3.Экспериментально и теоретически исследовать связь спиральнойморфологии целлюлозного волокна с кинетикой его нитрования;Научная новизна исследованийВ работе систематизирована структурная и динамическая рольанизометрических суперспирализованных структур на различных масштабахбиосистем от молекулярного до клеточного.