Projekti / Programi
Jakost vodikovih vezi okoli nepolarnih topljencev: izvor hidrofobnega pojava
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.01 |
Naravoslovje |
Kemija |
Fizikalna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P400 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizikalna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
hidrofobni efekt, atomistične simulacije, ab-initio in klasična MD, vibracijska in NMR spektroskopija, nevtronsko sipanje, parametrizacija polja sil
Raziskovalci (10)
Organizacije (2)
Povzetek
Kljub obsežnim študijam osnovni principi hidrofobnosti še zdaleč niso pojasnjeni. Hidrofobni učinek je namreč povezan s subtilnimi in kompleksnimi spremembami v okoliškem vodnem mediju, ki jih izredno težko neposredno zaznamo z obstoječimi eksperimentalnimi tehnikami. Glavni cilj predlaganega projekta bo razlaga mikroskopske slike hidrofobnega pojava in njegovega neposrednega vpliva na strukturo in dinamiko biomolekularnih sistemov, kar je nedvomno eden izmed najpomembnejših izzivov fizikalne biokemije. Vsak poskus razlage v tej smeri zahteva trdno eksperimentalno potrditev strukturnih in dinamičnih sprememb vode okrog hidrofobnih topljencev, podprtih s teoretičnimi napovedmi kar najbolj natančnih računalniških simulacij.
Za ugotavljanje razlik v vodikovih vezeh, ki jih inducira topljenec, glede na referenčno stanje čiste vode, se bomo najprej osredotočili na merjenje in vrednotenje valenčnega vzdolžnega nihanja OH skupin vode, za katerega je znano, da je občutljivo na lokalno okolje. Primerjali bomo spekter molekul vode iz prvega hidratacijskega ovoja s spektrom neperturbirane vode. Premik OH valenčnega nihanja k nižjim frekvencam (rdeči premik) ob prehodu iz čiste vode k hidratacijski vodi, ki obdaja nepolarni topljenec, bi pokazal na obstoj močnejših vodikovih vezi vode v bližini hidrofobnih topljencev.
Pomemben cilj projekta bo pridobitev širše potrditve naših preliminarnih rezultatov, ki kažejo na obstoj okrepljenih vodikovih vezi vode okoli solvatiranega metana. Naš cilj je raziskati celoten nabor čistih hidrofobnih topljencev, kot so metan, etan, kripton in ksenon, z uporabo vibracijske spektroskopije (IR, Raman) in naprednih teoretičnih metod preko širokega razpona termodinamičnih parametrov. Vzporedno z eksperimentalnimi študijami bomo izvedli obsežne ab-inito simulacije molekulske dinamike na različnih sistemih, kar bo privedlo do podrobne atomistične slike opazovanega pojava. Te simulacije bodo temeljile na nedavno razvitih DFT funkcionalih, ki pravilno vrednotijo disperzijske sile. Strukturno in dinamično informacijo o vodi, ki jo bomo izpeljali iz teh eksperimentalnih in teoretičnih študij, bomo kritično primerjali z obstoječimi eksperimentalnimi in teoretičnimi podatki z namenom, da podpremo ali ovržemo sporno t. i."ice-berg" hipotezo. Naši rezultati se bodo uporabili za zanesljiv opis slike hidrofobnega pojava, ki bo temeljil na lastnostih mreže vodikovih vezi.
Vzporedno s splošno priznano osrednjo vlogo hidrofobne interakcije pri opisovanju strukture, zvitja in asociacije proteinov naj bi izboljšani model vode načeloma povečal celokupno natančnost polj sil, ki se uporabljajo v klasičnih atomističnih simulacijah biomolekul. Na podlagi določenih kvantitativnih razmerij za vodikove vezi v okolici manjših popolnoma hidrofobnih molekul nameravamo predlagati izboljšave standardnih parametrizacij polj sil, ki se uporabljajo v klasičnih atomističnih simulacijah. Izboljšana polja sil bomo preverjali glede njihove zmožnosti generiranja do sedaj neupoštevane krepitve vodikovih vezi okoli nepolarnih topljencev. Izrecno bomo ovrednotili vpliv na biomoleklurane simulacije za napovedovanje konformacije in združevanja majhnih peptidov. Podatke o tridimenzionalni strukturi in dinamiki peptidov bomo pridobili z uporabo vibracijske in NMR spektroskopije kakor tudi tehnik nevtronskega sipanja.
Pridobitev podrobnega znanja o obnašanju vodikovih vezi okoli hidrofobnih molekul bo omogočila tudi razvoj bolj učinkovitih analitičnih in preprostih generičnih modelov za opis hidracije hidrofobnih delcev in njihovih preko topila posredovanih interakcij. Na ta način bomo lahko ocenili vpliv predlaganih izboljšav opisa hidrofobnih interakcij na pojav samo-združevanja za široko območje topljencev.
Pomen za razvoj znanosti
Activities within the proposed project will significantly contribute to the understanding of hydrophobic effect and its consequences, which is one of the most fundantal driving forces in molecular biophysics. Despite the intensive research the microscopic picture of hydrophobicity remains an elusive phenomenon.
The proposed improvements of the biomolecular force field should allow exploration of molecular properties at increased accuracy over a wide range of biophysical phenomena. Detailed knowledge of the molecular events in protein folding is important for understanding causes of hundreds of diseases including some of the most dreadful disorders like: Alzheimer's and Parkinson's diseases, some types of cancer, type II diabetes, cystic fibrosis, transmissible prion diseases (“mad cow” disease), etc.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagani raziskovalni projekt je izviren in temelji na naših dosedanjih raziskavah. Rezultati
raziskav so bili objavljeni v najuglednejših mednarodnih znanstvenih revijah (Nature, Proc. Natl. Acad. Sci. USA; J. Am. Chem. Soc.; Phys. Rev. Lett.), kar dokazuje, da so naše raziskave v
svetovnem vrhu. S temi rezultati promoviramo Slovenijo v svetovnih znanstvenih krogih.
Raziskovalna skupina ima izkušnje, sposobnosti in potrebno opremo za izvedbo in uspešno izvedbo zastavljenih ciljev.
Obvladovanje najzahtevnejših metod računalniških simulacij biomolekularnih sistemov, NMR in
vibracijske spektroskopije je pomembno za utrjevanje nacionalne identitete. Z razvojem novih
metod pa prispevamo k povečanju znanja na tistih področjih znanosti, ki so trenutno ključna za
tehnološki napredek v svetu in s tem tudi v Sloveniji (proizvodnja novih zdravil, medicina,
biotehnologija).
Pri raziskavah bodo sodelovali mladi raziskovalci. Mladi raziskovalci bodo pridobili znanje, ki je
potrebno za izpeljavo temeljnih raziskovalnih projektov kot tudi razvojnih projektov predvsem v
farmacevtski industriji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
