ИСТИНА

Проект направлен на изучение механизмов комплексообразования катионов металлов с органическими лигандами в растворах современными методами молекулярного моделирования. Актуальность исследования обуславливается необходимостью разработки новых соединений, обладающих высокой селективностью. В проекте предполагается разработать методику количественной оценки констант комплексообразования по результатам компьютерных расчётов методом молекулярной динамики с потенциалами метода функционала электронной плотности. Применение методов квантовой теории позволит корректно описать координационную сферу катиона металла, а расчёт молекулярно-динамических траекторий – описать конформационное многообразие комплексов катион-лиганд, свободных катионов и лигандов, их взаимодействие с молекулами растворителя, что приведет к более полному учёту энтропийной составляющей энергии Гиббса. В проекте планируется изучить следующие системы: (1) комплексы каликсаренов с ионами щелочных металлов; (2) ионы магния и цинка c биологическими лигандами; (3) флуоресцентные хемосенсоры для определения катионов металлов.

The aim of the project is to study the mechanisms of complexation of metal cations with organic ligands in solutions by modern methods of molecular modeling. The relevance of the study is determined by the need of development of the new compounds with high selectivity. The methodology for quantitative estimation of the complexation constants from the results of molecular dynamics simulations with the potentials of the density functional theory will be suggested in the project. The quantum mechanical potentials will describe correctly the coordination sphere of the metal cation. Molecular dynamic simulations will describe the conformational diversity of cation-ligand complexes, free cations and ligands, their interaction with solvent molecules, which will lead to a more complete account of the entropy component of Gibbs energy. The following systems will be studied in the project: (1) complexes of calixarenes with alkali metal ions; (2) magnesium and zinc ions with biological ligands; (3) fluorescent chemosensors for the determination of metal cations.

Будут выбраны модельные соединения каликсаренов, проявляющие селективность к катиону Cs+ и использующиеся при очистке радиоактивных отходов от изотопа 137Cs. Будут построены сечения свободной энергии для определения констант связывания катионов щелочных металлов с выбранными соединениями. Будут проанализированы структуры комплексов. По результатам работы за первый год выполнения проекта будет подготовлена и опубликована статья в рецензируемом журнале.

Руководителем в течение 5 лет уже проводились исследования методом молекулярной динамики с КМ/ММ потенциалами с применением метода зонтичной выборки, метода взвешенных гистограмм и зонтичного интегрирования для построения сечения поверхности свободной энергии изомеризации хромофора флуоресцентного белка asFP595 и его мутантной формы, реакции гидролиза олигопептидного субстрата в активном центре матриксной металлопротеиназы и его мутантной формы, а также реакции гидролиза гуанозинтрифосфата в различных мутантных формах белкового комплекса RasGAP. Во всех случаях удалось объяснить наблюдаемые изменения скоростей процессов при переходе от нативного фермента к мутантной форме. Также в недавней работе руководителем были проведены исследования взаимодействий, возникающих между исследуемыми органическими субстратами и молекулами воды раствора методом молекулярной динамики с DFT потенциалами, что показало информативность и перспективность такого подхода. Руководитель проекта имеет большой опыт теоретического изучения методами молекулярного моделирования систем, насчитывающих сотни и даже тысячи атомов.

Для каждой из выбранных для исследования систем будет определен механизм комплексообразования и рассчитаны константы комплексообразования по результатам построения сечения поверхности свободной энергии. Для флуоресцентных хемосенсоров также будут рассчитаны спектральные характеристики и проведена интерпретация изменения спектральных свойств в результате связывания с катионами. По результатам работы подготовлены и опубликованы статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах. Научная и практическая значимость результатов состоит в разработке подхода для количественного описания процессов комплексообразования катионов металлов с органическими лигандами и прогнозировании способов модификаций исследуемых соединений для направленного изменения их свойств.