Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54545 Моделирование в биофизике Modelling in biophycis Моделирование в биофизике Visual-differential analysis of structural realignations water cluster structures located in the domain of the D-FF nanotubes Визуально-дифференциальный анализ структурных перестроек водных кластерных структур, находящихся во внутренней полости D-FF нанотрубок Филиппов С В Filippov S V fsv141@mail.ru Лихачёв И В Likhachev I V Быстров В С Bystrov V S ИМПБ РАН - филиал ИПМ им. М.В. Келдыша РАН ru IMPB RAS - Branch of KIAM RAS ru ИМПБ РАН - филиал ИПМ им. М.В. Келдыша РАН ru IMPB RAS - Branch of KIAM RAS ru ИМПБ РАН - филиал ИПМ им. М.В. Келдыша РАН ru IMPB RAS - Branch of KIAM RAS ru 25 09 2020 25 09 2020 5 3 415 423 20 09 2020 20 09 2020 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54545/view

Для изучения структурных особенностей водных кластерных структур (ВКС), обнаруживаемых в ходе исследований самоорганизации дифенилаланиновых (FF) пептидных нанотрубок (L- и D- хиральностей) внутри их полостей, было выполнено 3D-моделирование D-FF нанотрубок, содержащих в полости канала воду. Моделирование указало оптимальное количество молекул водного кластера на одну элементарную ячейку (два витка спирального участка), равное 21 молекуле воды. Для лучшего понимания характера структурных перестроек ВКС, происходящих во внутренней полости канала D-FF в ходе оптимизации, был применён разработанный нами метод визуально-дифференциального анализа конформационных изменений биологических макромолекул. Были получены идентифицирующие (ID) и «гипсометрические» проекции: внешней поверхности водных кластерных структур, расположенных внутри D-FF PNT, проекции внутренней поверхности канала D-FF PNT. Анализ ID-проекций водных кластеров в исходном и оптимизированном состояниях выявил небольшое изменение (+0,568%) доступной поверхности атомов кислорода и атомов водорода (-0,68%). Визуальный анализ ID-проекций показал заметные структурные перестройки структур кластера воды. Для их описания из трёх «гипсометрических карт» были составлены композиционные «топографические карты» и гибридные (2D/3D) модели, показывающие области, с большой вероятностью участвующие в формировании стабильных водородных связей, и характер изменений структур кластера воды.

In order to study of the structural features of water cluster structures (WCS), discovered during studies of the self-organization of diphenylalanine (FF) peptide nanotubes (L- and D-chiralities) inside their cavities, was performed 3D-modeling of D-FF nanotubes containing water in the channel cavity was performed. The simulation indicated the optimal number of water cluster molecules per unit cell (two turns of the spiral section), equal to 21 water molecules. To better understand the nature of structural rearrangements of the WCS that occur in the internal cavity of the D-FF channel during optimization, we developed a method of visual-differential analysis of conformational changes in biological macromolecules. Identifying (ID) and “hypsometric” projections were obtained: the outer surface of the water cluster structures located inside the D-FF PNT, the projections of the inner surface of the D-FF PNT channel. Analysis of the ID projections of water clusters in the initial and optimized states revealed a slight change (+0.568%) in the available surface of oxygen atoms and hydrogen atoms (-0.68%). A visual analysis of the ID projections revealed significant structural changes in the structure of the water cluster. To describe them, three “hypsometric maps” were used to compose complex “topographic maps” and hybrid (2D/3D) models, showing the regions most likely involved in the formation of stable hydrogen bonds and the nature of changes in the structure of the water cluster.

 пептидные нанотрубки ПНТ PNT дифенилаланин ФФ-НТ FF визуально-дифференциальный 3D гипсометрический проекция модель Blender PhotoReactor G’MIC peptide nanotubes PNT diphenylalanine FF-NT visual differential 3D projection hypsometric model Blender PhotoReactor G’MIC Теоретическая часть исследования была выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки Российской Федерации №0017-2019-0009 (Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН) и № 01201373458. Апробация и реализация подхода были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований, проекты 18-07-00354-а (С.В. Филиппов) и № 19-01-00519-а (В.С. Быстров).

Bystrov V.S., Coutinho J., Zhulyabina O.A., Kopyl S.A., Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Tverdislov V.A., Filippov S.V., Kholkin A.L., Shur V.Ya. Modeling and physical properties of diphenylalanine peptide nanotubes, containing the water molecules. Ferroelectrics, 2020. - в печати Bystrov V.S., Coutinho J., Zhulyabina O.A., Kopyl S.A., Zelenovskiy P.S., Nuraeva A.S., Tverdislov V.A., Filippov S.V., Kholkin A.L., Shur V.Ya. Modeling and physical properties of diphenylalanine peptide nanotubes, containing the water molecules. Ferroelectrics, 2020. - v pechati Kim J., Han T.E., Kim Y. et al. Role of Water in Directing Diphenylalanine Assembly into Nanotubes and Nanowires. Adv. Mater., 2010, vol. 22, pp. 583-587. Kim J., Han T.E., Kim Y. et al. Role of Water in Directing Diphenylalanine Assembly into Nanotubes and Nanowires. Adv. Mater., 2010, vol. 22, pp. 583-587. Филиппов С.В., Быстров В.С. Визуально-дифференциальный анализ структурных особенностей внутренних полостей двух хиральных форм дифенилаланиновых нанотрубок. Биофизика, 2020, т. 65, № 3, с. 445-452. DOI: 10.31857/S0006302920030035. Filippov S.V., Bystrov V.S. Vizual'no-differencial'nyy analiz strukturnyh osobennostey vnutrennih polostey dvuh hiral'nyh form difenilalaninovyh nanotrubok. Biofizika, 2020, t. 65, № 3, s. 445-452. DOI: 10.31857/S0006302920030035. O'Boyle N.M., Banck M., James C.A. et al. Open Babel: An open chemical toolbox. J Cheminform, 2011, vol. 3, no. 33. DOI: 10.1186/1758-2946-3-33. O'Boyle N.M., Banck M., James C.A. et al. Open Babel: An open chemical toolbox. J Cheminform, 2011, vol. 3, no. 33. DOI: 10.1186/1758-2946-3-33. Иванов А.О., Мищенко А.С., Тужилин А.А. Геометрия аминокислот и полипептидов. Наноструктуры. Математическая физика и моделирование, 2014, т. 10, № 1, с. 49-76. Ivanov A.O., Mischenko A.S., Tuzhilin A.A. Geometriya aminokislot i polipeptidov. Nanostruktury. Matematicheskaya fizika i modelirovanie, 2014, t. 10, № 1, s. 49-76. Blender. Сайт программы 3D моделирования, анимации и рендеринга. [Электрон. ресурс]. URL: https://www.blender.org (дата обращения: 01.07.2020) Blender. Sayt programmy 3D modelirovaniya, animacii i renderinga. [Elektron. resurs]. URL: https://www.blender.org (data obrascheniya: 01.07.2020) Филиппов С.В. Программная платформа Blender как среда моделирования объектов и процессов естественно-научных дисциплин (Препринт № 230, ИПМ им. М.В. Келдыша, 2018). DOI: 10.20948/prepr-2018-230. URL: http://keldysh.ru/papers/2018/prep2018_230.pdf Filippov S.V. Programmnaya platforma Blender kak sreda modelirovaniya ob'ektov i processov estestvenno-nauchnyh disciplin (Preprint № 230, IPM im. M.V. Keldysha, 2018). DOI: 10.20948/prepr-2018-230. URL: http://keldysh.ru/papers/2018/prep2018_230.pdf Филиппов С.В., Сивожелезов В.С. Метод построения динамических молекулярных моделей в среде открытой 3D-платформы Blender на примере β2-адренорецептора. Доклады Международной конференции "Математическая биология и биоинформатика". Под ред. В.Д. Лахно. Пущино: ИМПБ РАН, 2018, т. 7, № e45. DOI: 10.17537/icmbb18.23. Filippov S.V., Sivozhelezov V.S. Metod postroeniya dinamicheskih molekulyarnyh modeley v srede otkrytoy 3D-platformy Blender na primere β2-adrenoreceptora. Doklady Mezhdunarodnoy konferencii "Matematicheskaya biologiya i bioinformatika". Pod red. V.D. Lahno. Puschino: IMPB RAN, 2018, t. 7, № e45. DOI: 10.17537/icmbb18.23. Филиппов С.В. Метод идентификации атомов макромолекул, визуализируемых в 3D редакторах (Препринты № 97, ИПМ им. М.В. Келдыша, 2019). DOI: 10.20948/prepr-2019-97. URL: https://keldysh.ru/papers/2019/prep2019_97.pdf Filippov S.V. Metod identifikacii atomov makromolekul, vizualiziruemyh v 3D redaktorah (Preprinty № 97, IPM im. M.V. Keldysha, 2019). DOI: 10.20948/prepr-2019-97. URL: https://keldysh.ru/papers/2019/prep2019_97.pdf Филиппов С.В., Полозов Р.В., Сивожелезов В.С. Визуализация пространственных структур (био)макромолекул в виде подобных гипсометрическим карт (Препринт № 61, ИПМ им. М.В. Келдыша, М., 2019). DOI: 10.20948/prepr-2019-61. URL: https://keldysh.ru/papers/2019/prep2019_61.pdf Filippov S.V., Polozov R.V., Sivozhelezov V.S. Vizualizaciya prostranstvennyh struktur (bio)makromolekul v vide podobnyh gipsometricheskim kart (Preprint № 61, IPM im. M.V. Keldysha, M., 2019). DOI: 10.20948/prepr-2019-61. URL: https://keldysh.ru/papers/2019/prep2019_61.pdf Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. Nature Methods, 2012, vol. 9 (7), no. 671. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. Nature Methods, 2012, vol. 9 (7), no. 671. Photo Reactor - Nodal Image Processor. URL: https://www.mediachance.com/reactor/index.html. Photo Reactor - Nodal Image Processor. URL: https://www.mediachance.com/reactor/index.html. G’MIC is a full-featured open-source framework for digital image processing. URL: https://gmic.eu. G’MIC is a full-featured open-source framework for digital image processing. URL: https://gmic.eu.