Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Санкт-Петербург Новый экспериментальный подход для исследования динамики макромолекул с наномасштабным разрешением Сергей Овчинников, Никита Гордеев «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Введение Vita in motu (жизнь в движении) Знание динамического поведения молекулярной системы позволяет пролить свет на механизм её функционирования «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Методы исследования Основные экспериментальные методы, используемые для исследования макромолекул: - масс-спектрометрия, - ядерно-магнитный резонанс - рентгеноструктурный анализ - рассеяние медленных нейтронов - ИК-спектроскопия - электронный микроскоп - сканирующие зондовые микроскопы различного типа - спектрометрия подвижности ионов - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия Методы не дают информации о механизме динамических процессов в макромолекулах. Движение компонентов молекулы невозможно установить на основании усредненных по времени параметров, задаваемых экспериментальными измерениями. Интенсивно развиваются методы компьютерного моделирования (метод Молекулярной динамики) «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Концепция Измерение одинаковых событий (объектов) Одно измерение даёт одну точку Совокупность полученных точек даёт информацию о событии (объекте) Скорость и координата вылетевшей «пружинки» характеризует осциллятор «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Применение для биомолекул Как получить «одинаковые» биомолекулы? Что является «пружинкой»? Как узнать, откуда вылетела «пружинка»? Какой параметр измеряется? аминокислота Триптофан «Пружинкой» является электрон, испущенный при разрыве химической связи «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Подготовка молекул подготовка молекул приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи Электроспрей (ионизация распылением в электрическом поле) Широко используется в массспектрометрии Позволяет ионизировать большие биомолекулы Сочетается с высоковакуумной техникой Позволяет «навесить» молекулы воды The Nobel Prize in Chemistry 2002 John B. Fenn, Koichi Tanaka «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Приведение молекул в одинаковое состояние приведение молекул в одинаковое состояние подготовка молекул анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи Электростатические накопители (кольцо; ловушка) two deflectors quadrupole doublet фрагментация молекул, локализация связи За счет электростатического принципа можно работать с Experiment section vertical trim Experiment section Experiment section молекулами массой вплоть до 105 а.е.м. Высокий вакуум (10-12Торр) позволяет удерживать молекулярные до десятков секунд Время удержания в десятки секунд позволяет молекулярным ионам релаксировать в низкоэнергетическое состояние Радиационное охлаждение обеспечивает заселение основных Молекулярные ионы Experiment section вращательно-колебательных и электронных состояний молекулярных ионов компактная «комнатная» конструкция, не требующая ускорителей высокой энергии (энергия пучка молекулярных designed by Oak Ridge National Laboratory, USA (2008) ионов не превышает 250 кэВ) «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Фрагментация молекул, локализация связи подготовка молекул приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи ē Фрагментирование (лазером, пучком протонов и т.п.) молекул с известной структурой Регистрация фрагментов молекулы методами масс-спектрометрии (m/z, t) Регистрация электрона (x, y, V, t) m/z «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Фрагментация молекул, локализация связи подготовка молекул ē t1 приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи Детектирование с временным анализ временных совпадений разрешением ~100пс () Интенсивность фрагментации фиксируется на уровне 1/ t2 «Схема совпадений»: корреляционный анализ времени регистрации фрагментов и электрона По массе фрагментов (m/z) m/z «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» локализуется разорванная связь 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Реакционный микроскоп (reaction microscope) подготовка молекул приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи COLTRIM - Cold Target Recoil Ion Momentum Комбинация электростатического поля, магнитного поля и позиционночувствительных детекторов, имеющих временное разрешение Позволяет измерить скоростное распределение электронов Распределение электронов по скоростям, полученное с помощью реакционного микроскопа «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Решение обратной задачи подготовка молекул приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи Измерение спектра электронов для локализованной связи обратная задача время Квантово-механический расчёт и анализ электронных спектров Проведение численных расчётов в расширяющемся пространстве Решение обратной задачи позволяет определить начальные квантовые состояния системы из спектров электронов «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Применение в биологии Метод Молекулярной динамики Молекулярная система рассматривается с позиции классической ньютоновской механики В основе метода численное решение уравнений Ньютона для набора атомов Алгоритм включает в себя структурную модель и силовое поле Шкала времени: 10-15 – 103 секунд. Используется суперкомпьютер Перспективы Молекулярной динамики: решение проблемы фолдинга, дизайн новых лекарств Суперкомпьютер Titan (Oak Ridge National Laboratory): производительность 17,59 петафлопс Экспериментальное определение параметров силового поля для Молекулярной динамики «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Научные партнёры Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе Виктор Устинов, Николай Галль, Геннадий Огурцов, Юрий Гордеев, Алексей Басалаев, Александр Шмидт, Павел Брунков Oak Ridge National Laboratory & University of Tennessee, USA Joseph Macek, Gary Van Berkel, Igor Zhulin, Alexey Sokolov, Mark Bannister, Randy Vane, Olga Ovchinnikova Санкт-Петербургский государственный политехнический Институт гриппа, Санкт-Петербург Олег Киселев, Андрей Васин, Владимир Егоров «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» университет Вадим Иванов, Владимир Петров, Роман Полозков 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Заключение Новый подход основан на современных разработках в атомной и молекулярной физике, масс-спектрометрии, квантовомеханических расчетах, суперкомпьютерных вычислениях, высоковакуумной технике Ожидаемые экспериментальные результаты позволят определять локальных структурно-динамических свойства биомолекул, что может иметь широкое практическое применение «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург Спасибо за внимание! «Нанотехнологии для Биологии и Медицины» 28-29 марта 2012 Санкт-Петербург