Ծրագրային փաթեթներ   Կոլոիդ նյութեր  Կենսաբանական թաղանթներ

 

Ծրագրային փաթեթներ

MDesigner(Էմ-Դիզայներ) – ստեղծվել է մասնագիտացված “MDesigner” ծրագրային փաթեթը, որը նախատեսված է ուսումնասիրվող համակարգերի թվային մոդելների կառուցման համար: Փաթեթն անվճար է և ներկայումս հասանելի է միայն Windows պլատֆորմների համար: Այն աշխատում է հայտնի .pdb ստանդարտ ֆայլային ֆորմատով և թույլ է տալիս կառուցել լիպիդային մոլեկուլներ ե երկշերտեր արդեն իսկ գոյություն ունեցող տվյալների հենքից: Ծրագիրը գրված է C++ ծրագրային լեզվով՝ STL գրադարանի օգտագործմամբ: Ծրագրի հենքը գրվել է MFC-ի օգնությամբ, իսկ 3D վիզուալիզացիայի իրականացման համար ծրագրում օգտագործվում է OpenGL գրաֆիկական գրադարանը:

Ռենտգենյան դիֆրակցիայի մոդելավորում – ստացվել է մոլեկուլային դինամիկ մոդելավորման արդյունքների ճշտությունը հաստատող նոր պարամետր՝ հիմնված մեծ անկյունների տակ ռենտգենյան դիֆրակցիայի (հալո պատկերներ, պիկային մաքսիմում և լրիվ լայնության կիսամաքսիմում) վրա: Ռենտգենյան դիֆրակցիայի մեթոդը ամենահզորն է ատոմական մակարդակում լիպիդային երկշերտերի կառուցվածքի բացահայտման տեսանկյունից: Ալկիլ շղթաների կարգավորվածության և դասավորվածության վերաբերյալ կարևոր տեղեկությունները ստացվում են մեծ անկյունների տակ ռենտգենյան դիֆրակցիայի տվյալներից. մասնավորապես, ածխաջրածնային պոչերի կոնֆիգուրացիան բնութագրվում է “հալո”- ի միջոցով: Սույն աշխատանքի նպատակն է ՄԴ մոդելավորման արդյունքում ստացված նկարներից ողջ դիրքային տեղեկատվությունը “թարգմանել” մեծ անկյունների ռենտգենյան դիֆրակցիայի պատկերների: Ստացված արդյունքները ցույց են տալիս, որ ամբողջական-ատոմական մոդելի կիրառումը բերում է ավելի հավաստի արդյունքների համեմատած միացյալ ատոմական մոդելի: 
 
Ծրագրի արագագործության ստուգում և համեմատություն: Համակարգչային ծրագրերը բաժանվում են 2 տիպերի` հաշվողական և կառուցողական: Սովորաբար, հաշվողական ծրագրային փաթեթները ներառում են տարբեր ուժային դաշտերով (GROMACS, NAMD, AMBER) մոլեկուլային մեխանիկայի, կիսաէմպիրիկ և արմատական քվանտաքիմիական հաշվարկներ, ինչպիսիք են GAMESS, MOPAC, GAUSSIAN և այլն. Կառուցողական ծրագրային փաթեթները հիմնականում նախատեսված են մոլեկուլի կամ համակարգի կառուցման և պատկերման համար, շատ դեպքերում հանդիսանալով բազմապրոֆիլ փաթեթներ (VMD, RasMol, Hyperchem, և այլն). Մեր խնդիրներում օգտագործվում են բաց կոդերով  NAMD և GROMACS փաթեթները, որոնք նախատեսված են մոդելավորման համար և ունեն զուգահեռացման հնարավորություն. Վերջերս, մեր կողմից կատարվել է վերոհիշյալ փաթեթների համեմատական վերլուծությունը, որտեղ մանրամասն դիտարկվել են փաթեթները տարբեր տեսանկյուններից: Ուսումնասիրության արդյունքում պարզվել է, որ GROMACS ծրագրային փաթեթը ավելի արագագործ է քան NAMD-ն, որը ամենայն հավանականությամբ կապված է միացյալ ատոմական մոդելի հետ, մինչդեռ կարելի է պնդել, որ NAMD-ն հարմար է համեմատաբար ավելի փոքր համակարգերի համար, ինչպես նաև  լրիվ ատոմական մոտարկումով համակարգի մանրամասն ուսումասիրության համար:Պարզվել է, որ պրոցեսորների թվի ավելացման հետ մեկտեղ NAMD-ն գրանցում է գծային աճ, մինչդեռ GROMACS ծրագրային փաթեթի դեպքում դիտվում է հագեցում` հետագայում գնալով դեպի նվազում: Դիտարկվել է նաև մինչև 48 պրոցեսոր NAMD փաթեթի արագագործությունը կախված պրոցեսորների միջև կապերից, իսկ որպես կապեր ընտրվել են Myrinet, Infiniband և Gigabit Ethernet հիմքով ցանցեր, ինչպես նաև փոփոխվել են համակարգի չափերը` 1000հազ., 330հազ., 210հազ., 110հազ., 92հազ., 54հազ., 27հազ. և 16հազ.:Որպես հիմնական պլատֆորմ ծառայել է Հայկական Գրիդ կառույցը: Համաձայն արված համեմատությունների, Myrinet և Infiniband ցանցերով զինված կլաստերները, շնորհիվ սարքերի արագագործության գրանցել են բավականին հաջող արդյունքներ, մինչդեռ Gigabit Ethernet ցանցերը պրոցեսորների թվից կախված տալիս են խզում, և հետևաբար կտրուկ իջնում է արագագործությունը: Սակայն, պետք է նշել որ, Gigabit Ethernet զինված ցանցերը զգայուն են համակարգի չափերի նկատմամբ, և մասնավորապես 1000հազ. համակարգերը պրոցեսորների ավելացման դեպքում խզում չեն գրանցում: Նշենք նաև, որ Infiniband կլաստերները համեմատած Myrinet համակարգերի հետ, գործում են համարյա իդեալական: Ներկայացվել է նաև բանաձև, որը հնարավորություն է տալիս ստանալ արագագործությունը կախված պրոցեսորների թվից և որպես ստուգենք բանաձև, արվել է նաև մի շարք տեստային հաշվարկներ Blue Gene/P գերհզոր համակարգչի վրա (IBM Blue Gene/P: PowerPC 450 պրոցեսոր, թվով 8192 պրոցեսոր), որը տեղակայված է Բուլղարիայի Հաշվողական կենտրոնում: Ինչպես սպասվում էր, ստացված արդյունքները համընկնում են բանաձևով գնահատված արդյունքների հետ:GROMACS ծրագրային փաթեթի համեմատական վերլուծությունը շարունակական փուլում է:

 

 

 

 Կոլոիդալ նյութեր

Մակերևութային ակտիվ նյութերի երկշերտեր: Մակերևութային ակտիվ նյութերը բաղկացած են բևեռային գլխիկից և երկար ալկիլ պոչերից և կարող են գեներացնել տարբեր համակարգեր` միցելներից մինչև լիոտրոպ հեղուկ բյուրեղական երկշերտեր: Վերջինս բաղկացած է ամֆիֆիլ նյութերի երկշերտերից տարանջատված իրարից լուծիչով: Ամֆիֆիլ երկշերտերը հավականին ինտենսիվ ուսումնասիրվել են երկար տարիներէ ծառայելով որպես կենսաբանական թաղանթների պարզագույն մոդելներ: Պետք է նշել, որ մակերևութային ակտիվ նյութերը լայն կիրառություն ունեն տարբեր ասպարեզներում, դեղագործություն, սննդի արդյունաբերություն, ագրոֆիմիա, և այլն: Մեր կողմից արված աշխատանքներում, որպես մակերևութային ակտիվ նյութեր վերցվել են նատրիում դոդելսուլֆատը (ՆԴՍ) և նատրիում պենտադեցիլսուլֆոնատը (ՆՊԴՍ)` ուսումնասիրելով դրանց հեղուկ բյուրեղական փուլերը: Օգտագործելով միացյալ ատոմական և լրիվ ատոմական մոդելները, ընդհանուր տևողությամբ մոտ 130նվ., ուսումնասիրվել է ՆԴՍ/ջուր հեղուկ բյուրեղական համակարգը (512 ՆԴՍ/15.000 ջուր): Որպես ծրագրային փաթեթ օգտագործվել են NAMD և GROMACS փաթեթները համապատասխանաբար իրենց CHARMM27 և GROMOS87 ուժային դաշտերով:

Ստացվել է, որ CHARMM ուժային դաշտը իր լրիվ ատոմական մոդելով տալիս է բավականին լավ համընկում իրական փորձերի հետ, երբ համեմատվում են մեկ մոլեկուլին ընկնող մակերեսը և ածխաջրածնային պոչերի կոնֆորմացիան: Վերը նշված աշխատանքը կատարվել է Պոստդամի Քիմիայի ինստիտուտի(Պոստդամի Համալսարան) մեր գործընկերների հետ համատեղ: Մանրամասն ուսումնասիրվել է նաև երկար ալկիլային շղթա պարունակող սուլֆոնատ հիմքով ՆՊԴՍ համակարգերը և կատարվել է ընդհանուր տևողությամբ մոտ 600նվ համակարգչային փորձ: Որպես սկզբնական վիճակ վերցնելով պատահական բաշխումը, ուսումնասիրվել է ՆՊԴՍ մոլեկուլների ինքնահավաքման մեխանիզմը, ինչպես նաև ջերմաստիճանային փոփոխման իմիտացիայի մեթոդով ստացվել է գել-հեղուկ բյուրեղական փուլային անցման ջերմաստիճանը:

Հակադարձ միցել/պոլիէլեկտրոլիտ խառնուրդներ: Պոստդամի Քիմիայի ինստիտուտի(Պոստդամի Համալսարան) մեր գործընկերների հետ համատեղ ուսումնասիրվել է նաև ՆԴՍ հակադարձ միցելները տոլուեն/պենտանոլ լուծույթում` ՊԴԱԴՄԱՔ պոլիէլեկտրոլիտի բացակայության և առկայության դեպքում: Ուսումնասիրության նպատակն էր պարզել ՊԴԱԴՄԱՔ պոլիէլեկտրոլիտի ազդեցությունը միկրոկաթիլի կառուցվածքի վրա: Ստացված արդյունքները ցույց են տվել, որ ՊԴԱԴՄԱՔ պոլիէլեկտրոլիտի առկայությունը բերում է մածուցիկության աճին, որն էլ տալիս է բավականին ճշգրիտ համընկում իրական փորձերի հետ: 

Երկշերտ/պոլիէլեկտրոլիտ խառնուրդներ: Մեր կողմից մոլեկուլային դինամիկայի մեթոդով (մոտ 50նվ. տևողությամբ փորձ) ուսումնասիրվել է ՊԴԱԴՄԱՔ/ՆԴՍ/դեկանոլ/ջուր համակարգը, որտեղ դիտարկվել է կատիոնիկ պոլիէլեկտրոլիտի ազդեցությունը ՆԴՍ-հիմքով լամելային հեղուկ բյուրեղական համակարգի վրա:Ցույց է տրվել երկու լամելային փուլերի համագոյությունը, 2-3% ՊԴԱԴՄԱՔ-ի կոնցենտրացիայի դեպքում, որն ի դեպ համընկնում է իրական փորձերի հետ:Ստացված համակարգչային փորձի տվյալները հնարավորություն են ընդձեռնում ստանալ կարևոր ինֆորմացիա վերը նշված բարդ համակարգի դինամիկ և կառուցվածքային վարքի մասին: Ի դեպ, նշենք որ այս աշխատանքը նույնպես կատարվել է  Պոստդամի Քիմիայի ինստիտուտի(Պոստդամի Համալսարան) մեր գործընկերների հետ համատեղ:

 

 

 

Գրանուլային մեթոդ: Գրանուլային մոտեցումը, որը մշակվել է Մարինկի և աշխատակիցների կողմից, հնարավորություն է տալիս հետազոտել հսկայական համակարգեր բավականին երկար ժամանակահատվածներում: Մեր կողմից ուսումնասիրվել է երկար պոչերով ալկիլ սուլֆոնատի ինքնահավաքման մեխանիզմը՝ օգտագործելով, այսպես կոչված, գրանուլային մոտեցումը: Անցած տասնամյակի ընթացքում բազմաթիվ հոդվածներ են հրապարկվել, որտեղ շատ հեղինակներ պնդում են, որ հավասարակշռության բավականին դժվար է հասնել մոլեկուլային դինամիկայի ատոմական մոդելով, քանի որ, ինչպես հայտնի է միցելագոյացման կյանքի տևողությունը միկովարկյանների կարգի է: Հաշվի առնելով, որ գրանուլային մեթոդի օգտագործումը հնարավորություն է տալիս հասնել ավելի երկար ժամանակահատվածների, հետազոտությունները կատարել ենք նաև գրանուլային մեթոդով: Որպես ծրագրային փաթեթ օգտագործվել է GROMACS ծրագրային փաթեթը MARTINI ուժային դաշտով: Գրանուլային մեթոդով սիմուլացիան կատարվել է մինչև 80մվ, իսկ միցելագոյացումը դիտվել է արդեն 50մվ-ում: Գնահատվել են մի շարք կառուցվածքային պարամետրեր, ինչպիսիք են կծիկների միջին շառավիղները, իներցիայի շառավիղները և այլն:

Այս աշխատանքը դեռևս գտնվում է շարունակական փուլում: 

 

  

Պոլիմերներ: Բելառուսական Պետական Տեխնոլոգիական Համալսարանի հետ համագործակցության շրջանակներում իրականացվել են պոլի վինիլ սպիրտ (ՊՎՍ)/ջուր և պոլի վինիլ պիրրոլիդոն (ՊՎՊ)/ջուր՝ Cպոլիմեր/Cջուր = 1/4 հարաբերակցությամբ համակարգերի մոլեկուլային դինամիկ (ՄԴ) և վիճակագրամեխանիկական ուսումնասիրությունները: Յուրաքանչյուր համակարգի համար 30նվ տևողությամբ ՄԴ փորձի արդյունքում երկու պոլիմերների դեպքում էլ ստացվել է գլոբուլյար կառուցվածք:

Գնահատվել են մի շարք կառուցվածքային պարամետրեր, ինչպիսիք են. պոլիմերային կծիկների միջին շառավիղները, պոլիմերների իներցիայի շառավիղները, պոլիմերային շղթաների բնութագրական հարաբերությունները և այլն: Ուսումնասիրվել են նաև մոնոմերների հարաբերական դիրքերը բնութագրող պարամետրեր, մասնավորապես, այդ պարամետրերի միջև ստատիկ կոռելյացիաները: Ցույց է տրվել, որ առանձին մոնոմերների հարթությունները դասավորված են քաոտիկ, մինչդեռ ամենամոտ ածխածնի կապերի միջև անկյունև  գրեթե հաստատուն է: 

Այս աշխատանքը դեռևս գտնվում է շարունակական փուլում:

 

Կենսաբանական թաղանթներ

Ֆոսֆոլիպիդային երկշերտեր: Ֆոսֆոլիպիդային երկշերտերը երկար տարներ ուսումնասիրվել են որպես կենսաբանական մեմբրանների կառուցվածքային մոդելներ և արժանացել են մեծ ուշադրության: Դիպալմիտոլ ֆոսֆատիդիլխոլինը (ԴՊՖԽ) ընդունված է որպես ցուցանիշային լիպիդ, քանի որ բազմաթիվ իրական փորձեր (X-Ray, NMR, և այլ) կատարվել են հենց այս լիպիդից բաղկացած երկշերտերի հիման վրա: Այն բաղկացած է ջրում լուծված երկբևեռ հիդրոֆիլ գլխիկից և երկու ձգված ածխաջրածնային պոչերից: Մեր նախկին աշխատանքները վերաբերվում են հենց ԴՊՖԽ երկշերտերի ուսումնասիրությանը՝ օգտագրծելով ՄԴ (մոլեկուլյար դինամիկայի) մոդելավորման մեթոդը: Մենք իրականացրել ենք 128 ԴՊՖԽ և 3655 ջրի մոլեկուլներից բաղկացած և հեղուկ բյուրեղային վիճակում գտնվող համակարգի ՄԴ մոդելավորում: Ջրի մասնաբաժինը կազմում է 40%, որն համապատասխանում է լրիվ լուծված լիպիդային երկշերտին: Ցույց է տրվել, որ միջինում  ջրի մոլեկուլների ջրածնի ատոմները կողմնորոշվում են դեպի ֆոսֆորի ատոմները, իսկ բացասական լիցքավորված թթվածնի ատոմները՝ դեպի ազոտի ատոմները, ինչը պայմանավորված է ջրածնային կապերով կապված ատոմական խմբերի մեծ քանակով, որն էլ իր հերթին կարող է զգալի ներդրում ունենալ միջմոլեկուլային փոխազդեցության մեջ: Որոշվել են նաև ածխաջրածնային պոչերի և գլխիկների հատկությունները (կարգավորվածության պարամետր, թեքման անկյուն, դիպոլային մասի թեքվածություն, գագաթների հեռավորույթու) և համեմատվել գրականությունից հայտնի տվյալների հետ՝ ՄԴ–ից ստացված տվյալների հուսալիությունը հաստատելու նպատակով: Ընդհանուր առմամբ ստացված տվյալները համապատասխանում են փորձերից հայտնի տվյալներին:

 

Խառը ֆոսֆոլիպիդային համակարգեր: Կենսաբանական թաղանթները բարդ բազմակոմպոնենտ միցություններ են եւ նրանց հատկությունները, ինչպիսիք են իոնային տրանսպորտը, բջջային համաձուլումը, դեղանյութերի նկատմամբ զգայունությունը եւ փոխազդեցությունը տարբեր նյութերի հետ, կախված են թաղանթի ֆիզիկական հատկություններից և թաղանթի կազմի մեջ մտնող լիպիդներից վիճակից, ինչպես նաեւ ամենակարեւորը կախված է թաղանթի տարբեր մասերում լիպիդների բաղադրությունից: 
Կենսաբանական թաղանթների լիպիդային երկշերտերտը բաղկացած է տարատեսակ լիպիդներից, որոնք ունեն հիմնականում նման կառուցվածք և տարբերվում են միմյանցից բևեռային գլխիկի կառուցվածքով և հատկապես ածխաջրածնային շղթաների երկարությամբ:Այս առումով, մենք կատարել ենք ԴՄՖՍ/ԴՖՖՍ լիպիդային խառնուրդի ատոմային մակարդակի մոլեկուլային դինամիկ մոդելավորում (նույն գլխիկը, տարբեր են միայն ածխաջրածնային շղթաները):Թաղանթի մոդելը ունի լիպիդային տարբեր կոնցենտրացիաներ (25%, 50% եւ 75%): Ծրագրի նպատակն է բացահայտել, այս խառնուրդի բնույթը, օրինակ, ածխաջրածնային շղթայի կողմորոշման կարգի եւ ածխաջրածնային պոչերի ներթափանցելիության առումներով, հաշվի առնելով, որ վերջինս շատ կարեւոր է իոնների եւ այլ միացություններ թաղանթում թափանցելիության բացատրության համար:
Ստացված մոլեկուլային դինամիկ հետազոտության տվյալների հիման վրա կարելի է պնդել, որ ածխաջրածնային պոչերի դասավորվածության աստիճանը աճում է եթե նվազում է ԴՖՖՍ-ի բաժինը թաղանթում: ԴՖՖՍ-ի 50% անոց խառնուրդի դեպքում մեկ լիպիդի գլխիկին բաժին ընկնող մակերեսի արժեքները բավականին լավ համաձայնեցվում են փորձարարական արդյունքների հետ: ԴՄՖՍ/ԴՖՖՍ լիպիդային խառնուրդները կարելի է դիտարկել, որպես համարյա իդեալական խարնուրդներ:

 

Էրիթրոցիտային մոդելային թաղանթներ: Մարդու արյան Էրիթրոցիտի թաղանթի մոդելը: Հաջողությամբ իրականացվել է մարդու արյան էրիթրոցիտի ոչ սիմետրիկ թաղանթի մոլեկուլային դինամիկ սիմուլյացիա` 180նվ կենսաբանական ժամանակ տևողությամբ: Թաղանթի մոդելի կառուցումը իրականացվել է MDesigner ծրագրային փաթեթի օգնությամբ: Կառուցվել են ՖՕՖԷ, ՍԱՖԷ, ՖՕՖԽ, ՍԱՖԽ, ՍԴՖՍ, ՍԱՖՍ,ԼՍՄ, ՀՍՄ ֆոսֆոլիպիդային մոլեկուլները, ինչպես նաև խոլեստերինի մոլեկուլների մոդելները (թաղանթի մոդելը  բաղկացած է ընդհանուր 252 ֆոսֆոլիպիդային մոլեկուլներից և 8572 ջրի մոլեկուլներից): Գլիկոֆորին Ա սպիտակուցի ներթաղանթային մասը ներդրվել է համակարգի մեջ: Հաշվարկվել են հիմնական կառուցվածքային պարամետրերը (թաղանթի մակերևույթին մեկ ֆոսֆոլիպիդային  մոլեկուլին բաժին ընկնող մակերեսը, թաղանթի հաստությունը, թաղանթ մակերեւութային խորդուբորդությունը եւ այլն) և համեմատվել են առկա փորձարարական արդյունքների հետ` ստուգելու մոլեկուլային դինամիկ սիմուլյացիայի արդյունքների ճշտությունը: Հատուկ ուշադրություն է դարձվել գլիկոֆորին Ա սպիտակուցի կոմֆորմացիոն հատկություններին, հաշվարկվել են α և  β պարույրների միջև անկյունը, ինչպես նաև սպիտակուցի ներթաղանթային մասի անմիջական շրջակայքում գտնվող  ֆոսֆոլիպիդային մոլեկուլների բաշխվածությունը թաղանթի վերին և ստորին մասերում (հաշվի առնելով մոդելի ոչ սիմետրիկությունը):

 

Թաղանթ – Տաուրին Փոխազդեցություն – Նպատակն է կառուցել առաջին անգամ մարդու էրիթրոցիտի թաղանթի բնականին հնարավորինս մոտ մոդելը, որը կներառի տվյալ թաղանթում ամենահաճախ հանդիպող հինգ հիմնական լիպիդներ, ներդրված սպիտակուցի մոլեկուլ և տաուրինի մոլեկուլ թաղանթի մակերեսին։ Բնականաբար այս ամենը կլինի ջրային միջավայրում։ Կհետազոտվի կենսաբանական թաղանթի և տաուրինի մոլեկուլի փոխազդեցությունը։ Աշխատանքն իրականացվում է համակարգչային փորձի մեթոդով մասնավորապես կիրառելով մոլեկուլյար դինամիկ մեթոդով սիմուլյացիոները։ Օգտագործվում է GROMACS փաթեթն իր ներդրված ուժային դաշտով։ Ակնկալում ենք ստանալ մարդու էրիթրոցիտի թաղանթի պատրաստի մոդելը։ Ստանալով մոդելը կարող ենք բազմաթիվ պարամետրեր չափել և հստակ պատկերացում կազմել տաուրինի և էրիթրոցիտի թաղանթի փոխազդեցության վերաբերյալ։ Այս մեթոդը հնարավորություն է տալիս նաև վիզուալ տեսնել այդ փոխազդեցությունը։ Հետագայում արդեն այս մոդելի հիման վրա կարելի է մեկնաբանել թաղանթի վրա տաուրինի ազդեցության տարբեր ասպեկտներ։