Projekti / Programi
Orientacijske interakcije v posplošenem Thomsonovem problemu: dipolna stabilizacija sferičnih nanostruktur
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
dipolna interakcija, končni kristali, samourejevanje, orientacijski red, virusne kapside, nanovsebniki, Thomsonov problem
Raziskovalci (9)
Organizacije (2)
Povzetek
Na prvi pogled je vprašanje razporeditev delcev na ukrivljenih površinah nadvse preprosto. Kljub temu je vodilo do obilja nadvse zanimivih odkritij, ki so tako naslovila nekatera osnovna vprašanja v fiziki kot tudi našla uporabo v številnih sistemih v fiziki mehke snovi, biofiziki, in fiziki materialov. V okviru tega projekta naslovimo še nerešen problem iskanja osnovnih stanj razporeditev delcev na sferičnih mrežah, kjer so interakcije med delci anizotropne in elektrostatične narave.
Skupki gradnikov, ki tvorijo (skoraj) sferično obliko, so vseprisotni v biofiziki in mehki snovi, in jih srečamo v obliki virusnih kapsid, proteinskih nanokletk, micelov, lipidnih veziklov, celic in koloidnih struktur. Velikosti gradnikov segajo vse od molekularne pa do mikronske skale, poleg odbojne interakcije trde sredice pa ti gradniki čutijo predvsem elektrostatične interakcije v različnih oblikah. Skupki so pogosto zelo simetrični, njihovo samourejanje, biološka vloga in biofizikalne lastnosti pa slonijo na faznih prehodih z zlomom simetrije.
Večina aktualnih študij urejanja skupkov na sferičnih površinah predpostavlja, da so interakcije med gradniki izotropne, kar vodi v simetrične vzorce pri katerih gradniki ležijo v vozliščih enakomernih mrež. Takšne mreže največkrat modeliramo kot mreže Casparja in Kluga, kot rešitve klasične ali alternativne različice Thomsonovega problema, ali pa kot maksime simetriziranih sfernih harmonikov. In medtem, ko je bila vloga različnih anizotropnih interakcij -- predvsem dipolne interakcije -- podrobno raziskana v planarnih strukturah, pa ostaja vprašanje ureditev na sferah in drugih ukrivljenih ploskvah neraziskano.
Ogledali si bomo možnost stabilizacije in destabilizacije sferičnih struktur z dipolnimi interakcijami, klasificirali ravnovesna stanja glede na njihovo simetrijo in raziskali fazne prehode med njimi. Vprašanje bomo reševali začenši z numerično minimizacijo simetrizirane energije za fiksno mrežo in spremenljivo orientacijo z dipolno interakcijo, zatem pa z razširitvijo na senčene, multipolne, van der Waalsove interakcije, interakcije med najbližjimi sosedi, vključili pa bomo tudi polno minimizacijo položajev in orientacij. Tako bomo raziskali različne možnosti, ki se lahko pojavijo v bioloških sistemih pod različnimi biokemičnimi pogoji v topilu. Vzpostavili bomo tudi teoretično ogrodje, v okviru katerega bomo v obzir vzeli tudi termične fluktuacije in zunanje načine zloma simetrije, ki lahko služijo kot način nadzora sestave in razpada sferičnih nanodelcev v biofiziki in, na mikronski skali, v koloidni znanosti in fiziki materialov.
Rezultati projekta bodo koristili na različnih znanstvenih področjih. Razumevanje osnovnih stanj na končnih urejenih sistemih z netrivialno topologijo je poglavitnega pomena za trdne proteinske lupine, med katere spadajo virusne kapside, vifelj-žoge, feritinske kletke, karboksisomi in sintetični virusom-podobni delci. Uporaba izbranih interakcij za zasnovo samourejajočih se nanovsebnikov je nepogrešljiva ideja, še posebno za dostavo zdravilnih učinkovin po telesu. V širšem pogledu so cilji projekta zanimivi tudi v matematiki, saj so dotična geometrijska vprašanja, povezana s Thomsonovim problemom ter njegovimi posplošitvami, pretežno nerešena celo na osnovnem teoretičnem nivoju. Vpliv projekta bo viden tudi izven samih znanstvenih rezultatov, saj bodo v njegovem okviru vzpostavljena nova sodelovanja med dvema vodilnima fizikalnima organizacijama v Sloveniji. Nenazadnje pa bo projekt igral tudi izobraževalno vlogo, šireč najnovejša dognanja v znanosti med splošnim občestvom in še posebej med študenti fizike različnih stopenj, katerim bo omogočena tudi pridružitev delu na projektu.
Pomen za razvoj znanosti
Osrednje vprašanje tega projekta je nadvse relevantno, saj hkrati naslovi osnoven, neodgovorjen problem v teoretični fiziki—to je, kakšne so optimalne ureditve dipolov na sferični površini—kot tudi praktičen problem razumevanja bioloških struktur in, konkretneje, virusnih kapsid. Naša motivacija sega preko fizikalne virologije in se prav tako dobro umešča v splošno področje biomedicine in bioinženiringa, tako da lahko naše ugotovitve tekom projekta vodijo k nadaljnjemu raziskovalnemu delu in kasneje tudi do praktičnih aplikacij.
Na srž projekta je moč gledati s povsem geometrijskega vidika, ter dobljene odgovore tako razširiti tudi na druge površinske pojave v fiziki, kot so nanodelci, vezikli in strukture iz anizotropnih materialov, ter na makroskopske mehanske in mikrofluidične aplikacije. Ker si elektrostatični in magnetni dipoli delijo geometrijo svoje interakcije, bodo lahko naše ugotovitve uporabljene tudi za študije molekularnih magnetov, nanoskupkov in koloidnih magnetnih lupin. Razumevanje, kako lahko dipolne interakcije (in druge multipole višjega reda) izkoristimo za stabilizacijo struktur z zaželjeno simetrijo, je neprecenljivo orodje pri načrtovanju postopkov samosestave pri različnih nanostrukturah za dostavo zdravil in pri drugih funkcionalnih koloidnih enotah.
Projekt bo pripomogel k razvoju znanosti v Sloveniji na različne načine. Utrdil bo povezavo med dvema vodilnima fizikalnima ustanovama v državi skozi sodelovanje raziskovalcev z dopolnjujočimi se znanji, ki se lahko nadaljuje po izteku projekta. Projekt odpira novo področje raziskovanja in bo preko predstavitev rezultatov na konferencah in delavnicah pritegnil pozornost kolegov po svetu, kar odpira možnost mednarodnih sodelovanj, nadaljnjih eksperimentalnih študij, itd. Črpanje pridobljenega znanja iz sodelovanj bo nadalje utrdilo položaj slovenske znanosti med vodilnimi strokovnjaki s področja.
Večji del sodelujočih raziskovalcev tudi poučuje na fakulteti za fiziko v tesni povezavi s študenti različnih stopenj študija. Poleg tega so raziskovalci vpleteni tudi v popularizacijo znanosti med splošno javnostjo. Skozi mentorstva študentom, možnosti nadaljnje vključitve v projekt, in poljudnoznanstvene predstavitve, bo projekt povečal zavedanje o aktivni vlogi slovenskih znanstvenikov v sodobni znanosti.
Skratka, rezultati predlaganega projekta bodo neposredno zanimivi za širšo znanstveno skupnost in bodo imeli pomembno vlogo tako za osnovno fiziko kot tudi bioinženiring in fizikalno virologijo. Raziskave bodo povečale tudi na stopnjo zanimanja splošne javnosti in študentov fizike za znanost.
Pomen za razvoj Slovenije
The central question of our proposal is highly relevant, as it addresses at the same time an unanswered problem in theoretical physics—optimal arrangements of dipoles on a spherical surface—and a practical problem of understanding biological assemblies, in particular, viral capsids. Our motivation extends beyond physical virology and is just as well embedded in the general biomedical science and bioengineering, so that the findings of our proposal can lead to follow-up experimental work and, later on, also to practical applications.
When viewed from a purely geometric perspective, the premise of the proposal has a broader relevance for various surface phenomena in physics, exemplified by nanoparticles, vesicles, or shells of anisotropic materials, for macroscopic mechanical applications, and for microfluidic applications. As the electrostatic and magnetic dipoles share the geometry of the interaction, findings can also be applied to studies of molecular magnets, nanoclusters and colloidal magnetic shells. Understanding how dipolar (and other, higher-order multipolar) interactions can be used to stabilize a structure with a given, desired symmetry is an invaluable tool in designing self-assembly procedures that can be implemented for nanocontainers used for drug delivery and other functional colloidal units.
The project will benefit the development of science in Slovenia in several ways. It will strengthen the connection between two of the leading physics institutions in the country, opening a collaboration between researchers with complementary skills, which can continue after completion of the project. The project opens a new line of research, and through presentations of results at international conferences and workshops, it will spark interest of colleagues around the world, opening the possibility of international collaborations, experimental follow-ups, etc. Integrating the knowledge gained from collaboration will further consolidate the position of Slovenian science among the leading experts in the field.
A large part of the researchers involved in the project also teach at the faculty of physics and thus work closely with the students at various stages. Moreover, the researchers working on the project are also involved in popularization of science among the general public. Thus, by providing supervision to students, opportunities to join the activities of the project, and popular science presentations, the project will increase the awareness about the active role of Slovenian researchers in contemporary science.
To sum up, the results of our proposed research should be of immediate interest for a wide ranging scientific audience, and are bound to have a significant impact both in fundamental physics and in bioengineering and physical virology. The research should also have an impact on the level of interest in science among the general public and especially among the students of physics.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
