Ученые ИМПБ РАН провели компьютерное исследование структурных и физических свойств самоорганизующихся пептидных нанотрубок на основе дипептида дифениланина. Полученные данные будут полезны для создания капсул адресной доставки фармацевтических препаратов и лекарств. Работа опубликована в Journal of Molecular Modeling.

Пептиды это биологические макромолекулы состоящие из аминокислот. Еще в 1960-х годах Брюс Меррифилд с коллегами создал метод синтеза пептидов, за что позже получил Нобелевскую премию по химии. Пептидные нанотрубки из дифенилаланина, своеобразные аналоги углеродных нанотрубок, последнее время в центре внимания многих исследователей из-за их выдающихся механических, оптических и электрических свойств, перспективных для различных приложений в микроэлектронике и медицине.

Очень интересным свойством является способность аминокислот и коротких пептидов самостоятельно организовываться в разнообразные сложные биомолекулярные наноструктуры. Во время самосборки молекулы закручиваются в правую или левую сторону, в зависимости от исходных блоков аминокислот. Это их свойство — хиральность (отсутствие симметричности) — является очень важной характеристикой. Самособранные пептидные дифенилаланиновые нанотрубки могут применяться при адресной доставке лекарств. При этом их биологическая активность может быть совершенно различной, поскольку «правые» и «левые» лекарства, взаимодействуя с соответствующими молекулами в организме, например с ферментами, могут действовать по-разному. В результате несоответствия хиральности терапевтическое действие может в лучшем случае отсутствовать, а в худшем — дать нежелательные побочные эффекты вплоть до летального исхода. Поэтому контроль хиральности тут становиться существенным фактором. Кроме экспериментальных методов, для правильного контроля самосборки молекулярных структур необходимым и важным является также и компьютерное моделирование процессов.

Для анализа структурных особенностей ученые ИМПБ использовали разработанный ими уникальный метод визуально-дифференциального анализа (ВДА). Этот метод компьютерного моделирования и исследования основан на построении проекций поверхностей макромолекулярных структур.

Сергей Филиппов, научный сотрудник отдела перспективных информационных технологий ИМПБ РАН, автор метода, рассказал:

Метод визуально-дифференциального анализа позволяет рассмотреть процесс изнутри структуры. Наблюдатель как будто находится в центре нанотрубки и видит как атомы перемещаются относительно центральной оси сложной молекулы. Но самым интересным в нашем методе, пожалуй, является трансформация сложной структурной информации — ключевой в функционировании биомакромолекул, в наглядную карту, где все видно как на ладони. Мы с помощью нашего метода исследовали поведение и взаимодействие разных биологических молекул. В данном случае это были дифенилаланиновые нанотрубки с водой.

В своем исследовании ученые сначала рассмотрели право- и левоспиральные нанотрубки с пустой внутренней полостью, их самоорганизацию и свойства. Но, поскольку пептидные нанотрубки выращивают в воде, вторым этапом было моделирование взаимодействия структур с водой. Впервые было рассчитано оптимальное количество молекул воды внутри полости трубки. Оказалось, что спиральная нанотрубка выстраивает внутри себя молекулы воды также в определенные спиральные структуры. Этот процесс индуцируется внутри нанотрубок значительным электрическим полем, создаваемым сильно ориентированными дипольными моментами дипептидов. Кластеры воды находящиеся внутри тоже поляризуются и приобретают высокий дипольный момент. То есть, нанотрубка действует как оператор (модулятор) на воду, создавая упорядоченную структуру. Это происходит как в право-, так и в левоспиральных нанотрубках, но разными способами в соответствии с их различной внутренней структурой и хиральностью. В результате кластеры воды закручиваются тоже либо в правую либо в левую сторону.

Владимир Быстров, заведующий группой компьютерного моделирования наноструктур и биосистем ИМПБ РАН добавил:

Выявить количество молекул воды экспериментально пока не представляется возможным. Однако, моделирование в комплексе с расчетами позволило нам определить количество молекул воды: n = 21 на одну элементарную ячейку. В перспективе, можно внутрь, вместо воды, поместить скажем, лекарство против рака доксорубицин. По сосудам оно может быть доставлено в нужное место в нужном объеме.

Полученные результаты и особенности структурных перестроек и взаимодействий воды внутри таких пептидных нанотрубок будут полезны и необходимы при дальнейших исследованиях возможностей применения их в бионанотехнологиях.