«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-Петербург Новый экспериментальный подход для исследования динамики макромолекул с наномасштабным разрешением Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Санкт-Петербург Сергей Овчинников, Никита Гордеев

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-Петербург Vita in motu (жизнь в движении) Введение Знание динамического поведения молекулярной системы позволяет пролить свет на механизм её функционирования

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-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 2012Санкт-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 2012Санкт-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 2012Санкт-Петербург подготовка молекул приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи Подготовка молекул The Nobel Prize in Chemistry 2002 John B. Fenn, Koichi Tanaka Широко используется в масс- спектрометрии Позволяет ионизировать большие биомолекулы Сочетается с высоковакуумной техникой Позволяет «навесить» молекулы воды Электроспрей (ионизация распылением в электрическом поле)

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-Петербург Приведение молекул в одинаковое состояние подготовка молекул приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи Молекулярные ионы two deflectors quadrupole doublet Experiment section Experiment section vertical trim Experiment section Experiment section designed by Oak Ridge National Laboratory, USA (2008) За счет электростатического принципа можно работать с молекулами массой вплоть до 10 5 а.е.м. Высокий вакуум ( Торр) позволяет удерживать молекулярные до десятков секунд Время удержания в десятки секунд позволяет молекулярным ионам релаксировать в низкоэнергетическое состояние Радиационное охлаждение обеспечивает заселение основных вращательно-колебательных и электронных состояний молекулярных ионов компактная «комнатная» конструкция, не требующая ускорителей высокой энергии (энергия пучка молекулярных ионов не превышает 250 кэВ) Электростатические накопители (кольцо; ловушка)

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-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 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 ē

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-Петербург анализ временных совпадений Фрагментация молекул, локализация связи подготовка молекул приведение молекул в одинаковое состояние фрагментация молекул, локализация связи анализ продуктов фрагментации восстановление информации о динамике локальной связи Детектирование с временным разрешением ~100пс ( ) Интенсивность фрагментации фиксируется на уровне 1/ «Схема совпадений»: корреляционный анализ времени регистрации фрагментов и электрона По массе фрагментов (m/z) локализуется разорванная связь m/z ē t1t1 t2t2

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-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 позиционно- чувствительных 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 2012Санкт-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 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 обратная задача время

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-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 3 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 2012Санкт-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 университет Вадим Иванов, Владимир Петров, Роман Полозков Институт гриппа, Санкт-Петербург Олег Киселев, Андрей Васин, Владимир Егоров

«Нанотехнологии для Биологии и Медицины»28-29 марта 2012Санкт-Петербург Заключение Новый подход основан на современных разработках в атомной и молекулярной физике, масс-спектрометрии, квантово- механических 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 2012Санкт-Петербург Спасибо за внимание!