CC BY
36
-□ □-
Псевдо-iмунологiчна сnецифiчнiсть штучного рецептора на меламт дослиджена методом теори функционала густини на рiвнi теори RwB97XD/6-31G(d). Акрилами)о-2-метил-1-пропансульфонова кислота (АМПК), а також таконова та акрилова кислоти розглядались як найкращ^ з потенцшних функщональ-них мономерiв. Значення розрахованих енергш взаемоди мономер: меламт (для nередnолiмеризацiйних ком-плекЫв 1:1), порiвнювались iз енергiями взаемодш для комплекыв мономер : атразин та мономер : петцилт
Ключовi слова: штучний рецептор, молекулярний iмпринтинг, меламт, метод теори функщонала щ^ль-
ностi, псевдо-iмунологiчна специфiчнiсть
□-□
Псевдо-иммунологическая специфичность искусственного рецептора на меламин исследована методом теории функционала плотности на уровне теории Rw97XD/ 6-31G(d). Акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновая кислота (АМПК), а также итаконовая и акриловая кислоты рассматривались как наилучшие из потенциальных функциональных мономеров. Значение рассчитанных энергий взаимодействия мономер : меламин (для передполимеризационных комплексов 1:1), сравнивались с энергиями взаимодействий для комплексов мономер: атразин и мономер : пенициллин
Ключевые слова: искусственный рецептор, молекулярный импринтинг, меламин, метод теории функционала плотности, псевдо-иммунологическая специфичность
-□ □-
УДК 66.66.08
|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.27658|
МЕТОД ТЕОРИ ФУНКЦ1ОНАЛА ГУСТИНИ У ДОСЛ1ДЖЕНН1 ПСЕВДО-1ММУНОЛОПЧНОТ СПЕЦИФ1ЧНОСТ1 ШТУЧНОГО РЕЦЕПТОРА НА МЕЛАМ1Н
К. М . Муз и ка
Кандидат техшчних наук, старший науковий ствроб^ник Кафедра бюмедичноТ шженерп Хармвський нацюнальний уыверситет радюелектронки пр. Ленша, 14, м. Хармв, УкраТна, 61166 E-mail: [email protected]
1. Вступ
Одшею з фундаментальних проблем сучасного приладобудування е необхщшсть дослщження нових та уточнення вщомих закономiрностей фiзико-хiмiч-них процеав у нових функщональних матерiалах, яю е вихщним положеннями для проектування та виробництва нових сенсорних приладiв контролю та визначення складу речовин з покращеними метроло-пчними та аналггичними характеристиками. Часто новi вщкриття вщбуваються тсля проведення аналоги з тим, що вже створено природою. Наприклад, багато бiохiмiчних процесiв протiкають з утворенням комплекив бiологiчно активних речовин рiзноi при-роди (лiгандами) зi специфiчними рецепторами. На лiганд-рецепторнiй взаемодii засноваш ферментатив-нi реакцii, внутрiшньоклiтинний транспорт, регуля-цiя клiтинноi активностi тощо [1]. Реакцiю взаемодii антиген - антиило можна розглядати як окремий випадок зв'язування лiгандiв з макромолекулярними рецепторами. Однак, далеко не в« молекули мають своi природнi рецептори. Аналiз iз використанням молекулярно iмпринтованих полiмерiв (МIПiв), який також називають псевдоiмуноаналiзом або молекулярно iмпринтованим аналiзом, е дешевою альтернативою природним антиилам [2]. До безсумшвних
переваг МIПiв у порiвняннi iз природними антипла-ми належать:
- методична простота отримання «штучних рецеп-торiв» на низькомолекулярнi сполуки;
- стаб^ьшсть МIПiв у широкому дiапазонi температур i рН;
- висока вщтворювашсть синтезiв, тодi як власти-востi антитiл в ктотною мiрою залежать вiд iндивiду-альних особливостей тварини;
- оперативность отримання МIПiв - юлька годин, а не мiсяцiв, як у випадку антитш;
- вщсутшсть необхiдностi роботи iз тваринами;
- вщсутшсть обмежень для iмпринтування висо-кототксичних сполук;
- можлившть проведення МIП-аналiзу в оргашч-них середовищах.
Процес молекулярного iмпринтингу починаеть-ся з утворення передполiмеризацiйних комплекав мiж шаблоном i функцiональним мономером, засно-ваного на ковалентнiй або нековалентнш взаемодii iхнiх функцiональних груп [3]. При полiмеризацii в присутност зшиваючого компонента, комплекси мо-номерiв iз шаблонами фiксуються в певних позищях твердоi полiмерноi структури. Наступне видалення шаблона шляхом екстракцп оргашчним розчинником або хiмiчним руйнуванням зв'язюв призводить до
© Н.
появи в полiмерi молекулярних ввдбитюв - порож-нин, комплементарних шаблону за розмiром, формою i розташуванням функщональних груп. Завдяки «мо-лекулярнiй пам'ятЬ», закладенiй у полiмернiй решiтцi, щ дiлянки здатнi до повторно! високоспецифiчноi вза-eмодii з шаблоном.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
До сьогодш опублiкована велика юльюсть робiт, присвячених питанням молекулярного iмпринтингy Зокрема, в [3] представлено огляд 3779 посилань, що охоплюе розвиток молекулярного iмпринтингу у кон-текстi науки i технiки з 2004 по 2011 рр. Вiдмiчено, що незважаючи на безсумнiвнi устхи в молекулярному iмпринтингy пов'язанi з розширенням i появою нових областей застосування М1Шв, а також з використанням нових шаблошв, мономерiв i форматiв полiмеризацii, менше зусиль було спрямовано на розумшня фiзико-хi-мiчних механiзмiв формування М1П та молекулярного розтзнавання М1Пами. Необхiднiсть розумiння даних механiзмiв зумовлена пошуком шляхiв вирiшення однiеi з головних проблем використання на практищ штучних рецепторiв, а саме - гетерогенностi дшянок зв'язування у М1П за афшшстю та специфiчнiстю [4]. Тобто, з огляду на подальше устшне використання «штучних рецептор1в» у хiмiчних сенсорах, необхвдною умовою для досягнення високо' селективностi аналiзу мае бути лтнд-селектившсть «штучних рецепторiв» до речовин, яю будуть визначатись. Це й шщюе не-обхiднiсть проведення теоретичних дослвджень щодо прогнозування лiганд-селективностi МIПiв, е важли-вим етапом, який мае передувати стадп синтезу «штучного рецептора». Осюльки в основi первинноi взаемодii «функщональний мономер-шаблон» лежать загальш принципи бiмолекулярноi реакцii, продуктом яко' е комплекс «шаблон-мономер», то для прогнозування ль ганд-селективностi доцiльно дослщжувати термодина-мiчнi параметри, якi описуватимуть саме процес комп-лексоутворення. Враховуючи, що експериментальне обладнання для проведення подiбних дослвджень не завжди доступне, то використання обчислювальних пiдходiв може бути його альтернативою при вивченш процесiв комплексоутворення. Так, на сьогодшшнш день дослiдження М1П-систем базуеться на юлькох групах розрахункових методiв: молекулярноi механiки; молекулярноi динамiки (МД); та емпiричних i нат-вемтричних квантово-механiчних методах (КММ) [5]. Методи КММ е найточшшими. В свою чергу для досль дження багатоелектронних систем, якими е i М1П-сис-теми, точне рiшення рiвняння Шредшгера практично неможливе, тому для розрахунку енергш основного та збуджених сташв доцiльно застосовувати DFT-методи, в яких заметь хвильових функцiй при розрахунках використовують електроннi щiльностi.
3. Цшь та задачi дослщження
Цiллю дано! роботи е розробка обчислювального тдходу з використанням КММ DFT для дослщження лiганд-селективностi М1П-рецептора на меламш, як передумови рацiонального вибору функщонального
мономеру, сила взаемодii якого з шаблоном буде значно бшьша, шж з iншими речовинами, навiть, подiбними за будовою. На практицi ращональний вибiр функщ-онального мономеру дасть можливкть розробити сенсор з високою селективнiстю детектування, за рахунок високо' лiганд-специфiчностi штучних М1П-рецепто-рiв до шаблону, що буде визначатись. У данш роботi вибiр меламшу в якостi шаблону обумовлено актуаль-нiстю його визначення, наприклад, беручи до уваги сумнозвшний «меламiновий скандал» у Китаi [6, 7].
Для досягнення мети роботи необхщно виршити низку задач:
- вiдiбрати мономери (базуючись на попередшх дослiдженнях), якi формують найбшьш енергетично вигiднi комплекси з меламшом;
- обрати речовину з того ж хiмiчного класу, що й меламш, та речовину, що належить до шшого хiмiчно-го класу;
- розрахувати енергп взаемодiй обраних мономерiв з обраними шшими шаблонами;
- порiвняти значення отриманих енергiй взаемодiй у комплексах з меламшом та шшими шаблонами та надати рекомендацп щодо вибору функщонального мономеру, з найб^ьшою лтнд-селектившстю до меламшу.
4. Матерiали та методи дослщження енергетичних параметрiв комплексiв мономер:шаблон
За результатами, отриманими нами рашше [8], з тринадцяти розглянутих мономерiв, наймiцнiшi пе-редполiмеризацiйнi комплекси з меламiном утворю-ють акриламiдо-2-метил-1-пропансульфонова кислота (АМПК), ггаконова та акрилова кислоти. У данш робот проводиться ix подальше дослщження щодо псевдо^мунолоНчно! специфiчностi (лтнд-селек-тивностi) по вiдношенню до меламшу (1,3,5-Триа-зiн-2,4,6-триамiн). В якостi шаблошв для порiвняння енергiй взаемодiй обрано подiбний до меламiну атра-зин, який також належить до триазинового класу, та пенщилш (N-фенiлацетамiд 6-амiнопенiцилiнова кислота), що е гетероциклiчною сполукою, яка склада-еться з чотиричленного р-лактамного та п'ятичленного пазолщинового кiлець.
Розрахунки здшснювались неемпiричним методом функцiонала густини (функщонал RwB97XD) з використанням квантово-xiмiчноi програми GAUSSIAN 09, версii А01. Вiзуалiзацiя результатiв здiйснювалась у програмi GaussView 5.0. Вибiр функ-щоналу RwB97XD обумовлений можливiстю опису системи з водневими зв'язками, а також п-п стековими взаемодiями, якi можуть приймати участь у форму-ванш предполiмеризацiйниx комплексiв шаблон-мономер. В якоси базисного набору для ощнки геоме-трп використовували базис 6-31G(d), який враховуе d-opбiталi на атомах другого перюду. Всi розрахунки проводились у режимi повно' оптимiзацii геометрич-ного положення кожного атома дослiджуваноi системи. Для всix структур, що одержат в результат завершення роботи процедури оптимiзацii геометрп, розраховувались матрищ других поxiдниx (Гессiани). Для аналiзу результатiв розрахунку ми приймали до уваги ильки т структури, яю мають Гессiани з уйма
уз
позитивними значеннями. Суперпозицшну помилку базисного набору (BSSE) враховували методом про-тиваг [9]. Вплив водного середовища та ацетоштрилу враховували за допомогою моделi поляризованого континууму CPCM [10].
5. Результати дослщжень «псевдоммунолопчноЬ» специфiчностi штучного рецептора на меламш у передполiмеризацiйнiй фазi
Для перевiрки «псевдо-гмунолопчно'!» специфгч-ностг трьох функцiональних MOHOMepiB (АМПК, гтако-hoboï та акрилово'! кислот) по вгдношенню до меламiну (рис. 1, а), були розрахованг енергп взаемодп (Ebinding) даних мономерiв з атразином (рис. 1, б) та з пенщилг-ном (рис. 1, в).
Ebinding у комплексах мономер : шаблон (1:1) у перед-полiмеризацiйнiй фазi розраховували, за формулою (1):
—binding ECounterpoise corrected energy " - (Etotal of +Etotal of template^),
monomer
(1)
Назва комплексу (1:1) Енерпя взаемоди Енерпя взаемоди
у вод1 у ацетошт-рил1
ккал/моль ккал/моль
АМПК : Меламш -36,18 -36,22
АМПК : Пенщилш -19,92 -19,77
АМПК : Атразин -16,01 -16,11
1таконова кислота : Меламш -13,48 -13,56
1таконова кислота : Атразин -12,08 -12,05
1таконова кислота : Пенщилш -9,90 -9,99
Акрилова кислота : Мелам1н -12,27 -12,35
Акрилова кислота : Пенщилш -11,51 -11,62
Акрилова кислота : Атразин -11,26 -11,22
де ЕМелам1н : мономер - енерпя взаемодп мiж молекулами меламiну i розглянутих мономерiв у спiввiдношеннi (1:1); Еатразин : мономер - енерпя взаемодп мiж молекулами атразину i розглянутих мономерiв у сшввщношенш (1:1); Епенiцилiн : мономер - енерпя взаемодп мiж молекулами пенщилшу i розглянутих мономерiв у сшввщно-шеннi (1:1).
Де Ecounterpoise corrected energy - ПОВНа енерпя комплексу
з врахуванням суперпозицiйноi помилки базисного набору (СППБН); Etotal of monomer - повна енерпя мономеру; Etotal of template - повна енерпя шаблону.
Розрахунковi значення енергш взаемодш найбыьш енергетично випдних передполiмеризацiйних ком-плексiв мономер-шаблон, як були дослiдженi у данiй робо^ у базисi 6-31G (d), представлен в табл. 1.
Таблиця 1
Розрахунков! значення енергш взаемодш найб!льш енергетично випдних передпол!меризацшних комплекав мономер-шаблон
Рис. 1. Структури молекул шаблошв (з оптим!зованим геометричним положенням кожного атома): а —меламшу; б — атразину; в — пенщилшу
Тобто, для вшх трьох мономерiв, що розглядались у данiй роботi, збертаеться дана послiдовнiсть, при чому як для водного середовища, так i для ацетоштрилу. З табл. 2 видно, що АМПК формуе наймiцнiшi комплекси з меламшом, у порiвняннi з шшими шаблонами.
Таблиця 2
Значення р!зниц! енергш взаемодш обраних мономер!в з меламшом та ¡ншими шаблонами, що досл!джувались у данш робот!
Р1зниця у значеннях енергш взаемодш перед-пол1меризацшних комплекс1в мономер1в з меламшом та з шшими шаблонами, наведена у табл. 2.
На основ1 анал1зу розрахункових значеннь ing, наведених у табл. 2, можна записати наступний вираз:
Е < Е < Е
-'-'меламш : мономер -^атразин : мономер -'-'пенщилш : мономер .
Мономер Середовище a=F - -^меламш:мономер -^атразинмономер a = F - -^меламш:мономер -F • • -^петцилш:мономер
ккал/моль ккал/моль
АМПК Вода -16,26 -20,18
Ацетонггрил -16,45 -20,10
1таконова кислота Вода -1,40 -3,57
Ацетонггрил -1,51 -3,57
Акрилова кислота Вода -1,01 -0,76
АцетонГтрил -1,01 -0,73
Хiмiчнi структури найбiльш енергетично випдних передполiмеризацiйних комплексiв (1:1) АМПК : шаблон наведет на рис. 2.
в
Рис. 2. XÍMÍ4HÍ структури найбтьш енергетично випдних передполiмеризацiйних
комплексiв (1:1) АМПК з: а — меламшом; б — атразином; в — пенщилшом
6. Висновки
Таким чином, у данш робот з використанням DFT-методу було розроблено обчислювальний тд-xiд, який дав змогу дослщити лiганд-селективнiсть (т. з. псевдо-iмуноспецифiчнiсть) трьох функщональ-них мономерiв (АМПК, иаконова та акрилова кисло-ти) по вщношенню до молекули меламiну. Обчислювальний тдхщ включав наступнi етапи:
- вибiр речовини того ж xiмiчного класу, що й ме-ламiн, наприклад, атразин, та речовини шшо' xiмiчноi будови, наприклад, пенщилш;
- розрахунок енергп взаемодiй (Ebmdmg) мономерiв, що формують найбiльш сильш комплекси з меламiном (АМПК, иаконова та акрилова кислоти), а також тих же мономерiв, однак з шаблонами, вибраними у попе-редньому пункт;
- порiвняння £binding даних мономерiв з меламiном у передполiмеризацiйниx комплексах (1:1), та -Ebmdmg мономерiв з атразином i пенiцилiном.
Результати проведеного об-числювального експерименту по-казують, що серед розглянутих мономерiв (АМПК, ггаконова та акрилова кислоти), саме АМПК найбтьш придатна для подаль-шого синтезу «штучного рецептора» на меламiн. Це пояснюеть-ся тим, що серед уах розглянутих комплекав, дана кислота утво-рюе наймщшший комплекс з меламiном. Наймiцнiшi ком-плекси у даному випадку стали можливими завдяки особливо-стей просторово' будови молекули АМПК, в якш фосфатна та карбошльш групи розташованi таким чином, що е можлившть без стеричних перешкод утворювати водневi зв'язки з функщональни-ми групами молекули меламша, атразина чи пенщилша. Рiзниця у енергiях взаемодп для перед-полiмеризацiйного комплексу меламш:АМПК та схожим за бу-довою атразином з АМПК стано-вить б^я - 16,26 ккал/моль, як у вод^ так i в ацетоштрил^ а для комплексiв пенщилш:АМПК -бiля 20 ккал/моль вщповщно. Для комплексiв з iншими мономерами, така рiзниця в енерпях не суттева (бiля 1 ккал/моль), що свщчить про можливiсть неспецифiчноi взаемодп даних мономерiв з шшими шаблонами.
Проведене теоретичне дослiдження може бути тдгрунтям для розробки сенсора на меламш, у якому за рахунок наявност «штучних рецепторiв» з АМПК буде забезпечуватись висока селектившсть детекту-вання.
Подяки
Автор висловлюе подяку 1льченку М. М. (1н-ститут молекулярно1 бiологii та генетики НАН Украши, м. Киiв) за консультацп пiд час проведен-ня обчислювального експерименту та проф. Дж. Ле-щинському (Державний унiверситет м. Джексон, штат Мшииш, США) за надання можливост проведення розрахункiв за допомогою програми Gaussian 09 та вiзуалiзацii результатiв програмою GaussView 5.0.
б
а
^ÍTepaTypa
1. Muzyka, K. Current Trends in the Development of the Electrochemiluminescent Immunosensors [Text] / K. Muzyka // Biosensors and Bioelectronics. - 2014. - Vol. 54. - P. 393-407. doi: 10.1016/j.bios.2013.11.011.
2. Moreno-Bondi, M. C. Immuno-like assays and biomimetic microchips [Text] / M. C. Moreno-Bondi, M. E. Benito-Peña, J. L. Urraca, G. Orellana // Top Curr Chem. - 2012. - Vol. 325. - P. 111-164. doi: 10.1007/128_2010_94
3. Whitcombe, M. J. Molecular imprinting science and technology: A survey of the literature for the years 2004-2011 [Text] / M. J. Whitcombe, N. Kirsch, I. A. Nicholls // J. of Mol. Rec. - 2014. - Vol. 27. - P. 297-401. doi: 10.1002/jmr.2347
4. Muzyka, K. Chap. 5 in Handbook of Molecularly Imprinted Polymers [Text] / K. Muzyka, S. Piletsky, M. Rozhitskii; Eds. C. Alvarez-Lorenzo, A. Concheiro. - A Smither Group Company, UK, 2013. - P. 197-228.
5. Nicholls, I. A. Computational strategies for the design and study of molecularly imprinted materials [Text] / I. A. Nicholls, B. C. G. Karlsson, G. D. Olsson, A. M. Rosengren // Industrial and Engineering Chemistry Research. - 2013. - Vol. 52. -P. 13900-13909. doi: 10.1021/ie3033119
6. Chu, C. Y. Toxicity of melamine: the public health concern [Text] / C. Y. Chu, C. C. Wang // J. of environmental science and health, Part C: Environmental carcinogenesis and ecotoxicology reviews. - 2013. - Vol. 31. - P.342-386. doi: 10.1080/10590501.2013.844758
7. Sharma, K. The melamine adulteration scandal (Review) [Text] / K. Sharma, M. Paradakar // Food Security. - 2010. - Vol. 2. -P. 97-107. doi: 10.1007/s12571-009-0048-5
8. Музика, К. М. Обчислювальний експеримент в обгрунтуванш вибору функщонального мономеру для «штучного рецептора» на меламш [Текст] / К. М. Музика // Сенсорна електрошка та мшросистемш технологи. - 2014. - T. 11, № 1. - C. 33-41.
9. Simon, S. How does basis set superposition error change the potential surfaces for hydrogen bonded dimers? [Text] / S. Simon, M. Duran, J. J. Dannenberg // J. Chem. Phys. 1996. - Vol. 105. - P. 11024-11031. doi: 10.1063/1.472902
10. Cossi, M. Energies, structures, and electronic properties of molecules in solution with the C-PCM solvation model [Text] / M. Cossi, N. Rega, G. Scalmani, V. Barone // J. Comp. Chem. - 2003. - Vol. 24. - P. 669-681. doi: 10.1002/jcc.10189
Мехатзм дифузи молекул розчинника в полiмернiй мембран складаеться з двох скла-дових: дифузи через термiчну активащю системи i дифузи, що протшае за допомогою вшьного об'ему. Швидтсть термiчно акти-вованог дифузи набагато бшьше i спостерi-гаеться на початку процесу первопараци, а дифузiя за моделлю вшьного об'ему починае проявлятися в середин процесу i проходить повшьтше, проте е джерелом переносу бшь-шог частини молекул розчинника
Ключовi слова: полiмер, мембрана, перво-паращя, термiчна активащя, вшьний об'ем,
дифузiя, порожнини, стрибок, технологiя □-□
Механизм диффузии молекул растворителя в полимерной мембране состоит из двух составляющих: диффузии через термическую активацию системы и диффузии, протекающей с помощью свободного объема. Скорость термически активированной диффузии гораздо больше и наблюдается в начале процесса первопарации, а диффузия по модели свободного объема начинает проявляться в середине процесса и проходит медленней, однако является источником переноса большей части молекул растворителя
Ключевые слова: полимер, мембрана, пер-вопарация, термическая активация, свободный объем, диффузия, пустоты, скачок, технология
УДК 628.316.12
рО!: 10.15587/1729-4061.2014.276611
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ МОДЕЛЕЙ ДИФФУЗИИ ВО ВРЕМЯ ПЕРВАПОРАЦИОННОГО
ПРОЦЕССА В ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАНАХ
И. А. Буртная
Кандидат технических наук, доцент Кафедра биотехники и инженерии факультета биотехнологии и биотехники Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056 E-mail: [email protected] О. О. Гачечиладзе Директор
ДП «Грузино-украинский дом» пер. Музейный, 10, г. Киев, Украина, 01001 E-mail: [email protected]
1. Введение
Ранее авторами были рассмотрены некоторые термодинамические и кинетические процессы, протекаю-
щие в полимерных мембранах во время их применения в качестве «полупроницаемых нанофильтров» для разделения двух или многокомпонентных органических смесей жидких углеводородов в том числе:
©
