Компьютерные проекции помогут создать пептидные контейнеры для доставки лекарств

Пептиды представляют собой относительно короткие молекулы из аминокислот, которые специалисты научились синтезировать искусственно чуть более века назад. Многие представители этой группы веществ обладают биологической активностью, но лишь ею потенциал пептидов не ограничивается. Так, большую популярной приобрели пептидные нанотрубки из дифенилаланина — своеобразные аналоги углеродных нанотрубок. Механические, оптические и электрические свойства делают их очень привлекательными 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 того, какую ориентацию имели исходные аминокислоты. Такая несимметричность, называемая хиральностью, имеет особое значение, поскольку зеркальные молекулы могут обладать разными свойствами: одна может быть лекарством, а другая ядом. В случае биологических приложений нужно тщательно контролировать, какой ориентацией будет обладать продукт.

Сотрудники Института математических проблем биологии РАН предложили уникальный метод визуально-дифференциального анализа, основанный на построении проекций поверхностей макромолекулярных структур.

«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», — рассказал Сергей Филиппов, научный сотрудник отдела перспективных информационных технологий ИМПБ РАН.

В своем исследовании ученые сначала рассмотрели право- и левоспиральные нанотрубки с пустой внутренней полостью, их самоорганизацию и свойства. Поскольку пептидные нанотрубки выращивают в воде, вторым этапом стало 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 запускается значительным электрическим полем, создаваемым сильно ориентированными дипольными моментами дипептидов. Кластеры воды, находящиеся внутри, тоже поляризуются и приобретают высокий дипольный момент. Это происходит как в право-, так и в левоспиральных нанотрубках, но разными способами.

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 его: 21 молекула на одну элементарную ячейку. В перспективе можно внутрь, вместо воды, поместить, скажем, лекарство против рака. 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 при дальнейших исследованиях.