Preview

Наносистемы: физика, химия, математика

Расширенный поиск

Контролируемый выход однородных полипептидов из углеродной нанотрубки при изменении водородного показателя: молекулярнодинамическое моделирование

https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-5-650-659

Аннотация

С использованием молекулярно-динамического моделирования при различных уровнях pH исследованы изменения конформаций однородных полипептидов, которые располагались по одиночке или попарно внутри углеродной нанотрубки. Рассчитаны радиальные распределения плотности атомов полипептида, распределения атомов макроцепи вдоль оси нанотрубки, а также зависимости различных компонентов потенциальной энергии наносистемы. В изоэлектрической точке полипептиды находились в центральной части углеродной нанотрубки, распластываясь по ее стенкам. По мере отклонения уровня pH от изоэлектрической точки одиночно расположенный внутри углеродной нанотрубки полипептид сначала разворачивался и вытягивался вдоль ее оси, а когда почти все звенья макромолекулы приобретали электрический заряд – происходил ее выход из нанотрубки. Попарно расположенные внутри углеродной нанотрубки полипептиды при изменении водородного показателя отталкивались друг от друга и смещались на противоположные концы нанотрубки, высвобождаясь из нее.

Об авторе

Н. Ю. Кручинин
Оренбургский государственный университет, Центр лазерной и информационной биофизики
Россия

Оренбург



Список литературы

1. Balasubramanian K., Burghard M. Biosensors based on carbon nanotubes. Anal Bioanal Chem, 2006, 385, P. 452–468.

2. Qi H., Mader E., Liu J. Unique water sensors based on carbon nanotube–cellulose composites. ¨ Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 185, P. 225–230.

3. Tilmaciu C-M., Morris M.C. Carbon nanotube biosensors. Front. Chem., 2015, 3, P. 59.

4. Ferrier D.C., Honeychurch K.C. Carbon nanotube (CNT)-based biosensors. Biosensors, 2021, 11, P. 486.

5. Ranjbari S., Bolourinezhad M., Kesharwani P., Rezayi M, Sahebkar A. Applications of carbon nanotube biosensors: Sensing the future. Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2024, 97, P. 105747.

6. Dewey H.M., Lamb A., Budhathoki-Uprety J. Recent advances on applications of single-walled carbon nanotubes as cutting-edge optical nanosensors for biosensing technologies. Nanoscale, 2024, 16, P. 16344–16375.

7. Gazzato L., Frasconi M. Carbon nanotubes and their composites for flexible electrochemical biosensors. Analysis & Sensing, 2025, 5, P. e202400038.

8. Bianco A., Kostarelos K., Prato M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Current Opinion in Chemical Biology, 2005, 9(6), P. 674– 679.

9. Meng X., Zhang Z., Li L. Micro/nano needles for advanced drug delivery. Progress in Natural Science: Materials International, 2020, 30(5), P. 589–596.

10. Alshawwa S.Z., Kassem A.A., Farid R.M., Mostafa S.K., Labib G.S. Nanocarrier drug delivery systems: characterization, limitations, future perspectives and implementation of artificial intelligence. Pharmaceutics, 2022, 14, P. 883.

11. Roxbury D., Zhang S., Mittal J., DeGrado W.F., Jagota A. Structural stability and binding strength of a designed peptide-carbon nanotube hybrid. J. Phys. Chem. C, 2013, 117, P. 26255–26261.

12. Wang H., Michielssens S., Moors S.L.C., Ceulemans A. Molecular dynamics study of dipalmitoylphosphatidylcholine lipid layer self-assembly onto a single-walled carbon nanotube. Nano Res., 2009, 2, P. 945–954.

13. Roxbury D., Manohar S., Jagota A. Molecular simulation of DNA β-sheet and β-barrel structures on graphite and carbon nanotubes. J. Phys. Chem. C, 2010, 114, P. 13267–13276.

14. Li L., Cao Q., Liu H., Qiao X., Gu Z., Yu Y., Zuo C. Understanding interactions between poly(styrene-cosodium styrene sulfonate) and singlewalled carbon nanotubes. J Polym Sci., 2021, 59, P. 182–190.

15. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. Molecular dynamics simulation of the conformational structure of uniform polypeptides on the surface of a polarized metal prolate nanospheroid with varying pH. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2022, 96(3), P. 624–632.

16. Kruchinin N.Yu. Molecular dynamics simulation of the rearrangement of polyampholyte conformations on the surface of a charged oblate metal nanospheroid in a microwave electric field. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2023, 14(6), P. 719–728.

17. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. Conformational structure of a complex of two oppositely charged polyelectrolytes on the surface of a charged spherical metal nanoparticle. High Energy Chemistry, 2024, 58(6), P. 615–623.

18. Kruchinin N.Yu., Kucherenko M.G. Conformational changes of two oppositely charged polyelectrolytes, including those combined into a single block copolymer, on the surface of a charged or transversely polarized cylindrical metal nanowire. Journal of Polymer Research, 2025, 32(3), P. 79.

19. Salimi A., Compton R.G., Hallaj R. Glucose biosensor prepared by glucose oxidase encapsulated sol-gel and carbon-nanotube-modified basal plane pyrolytic graphite electrode. Anal Biochem, 2004, 333(1), P. 49–56.

20. Chen Q., Wang Q., Liu Y.-C., Wu T., Kang Y., Moore J.D. Gubbins K. E. Energetics investigation on encapsulation of protein/peptide drugs in carbon nanotubes. The Journal of Chemical Physics, 2009, 131(1), P. 015101.

21. Kang Y., Wang Q., Liu Y.-C., Wu T., Chen Q., Guan W.-J. Dynamic mechanism of collagen-like peptide encapsulated into carbon nanotubes. The Journal of Physical Chemistry B, 2008, 112(15), P. 4801–4807.

22. Kang Y., Liu Y.-C., Wang Q., Shen J.-W., Wu T., Guan, W.-J. On the spontaneous encapsulation of proteins in carbon nanotubes. Biomaterials, 2009, 30(14), P. 2807–2815.

23. Zhang Z., Kang Y., Liang L., Liu Y., Wu T., Wang Q. Peptide encapsulation regulated by the geometry of carbon nanotubes. Biomaterials, 2014, 35(5), P. 1771–1778.

24. Yang N., Chen X., Ren T., Zhang P., Yang D. Carbon nanotube based biosensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2015, 207(A), P. 90–715.

25. Chavan K.S., Barton S.C. Confinement and Diffusion of Small Molecules in a Molecular-Scale Tunnel. Journal of The Electrochemical Society, 167, P. 023505.

26. Li W., Cheng S., Wang B., Mao Z., Zhang J., Zhang Y., Liu Q.H. The transport of a charged peptide through carbon nanotubes under an external electric field: a molecular dynamics simulation. RSC Adv., 2021, 11, P. 23589–23596.

27. Chen Q., Liang L., Zhang Z., Wang Q. Release of an encapsulated peptide from carbon nanotubes driven by electric fields: a molecular dynamics study. ACS Omega, 2021, 6(41), P. 27485–27490.

28. Andrade L.R.M., Andrade L.N., Bahu J.O., Concha V.O.C., Machado A.T., Pires D.S., Santos R., Cardoso T.F.M., Cardoso J.C., Albuquerque- ´ Junior R.L.C., Severino P., Souto E.B. Biomedical applications of carbon nanotubes: A systematic review of data and clinical trials. Journal of Drug Delivery Science and Technology, 2024, 99, P. 105932.

29. Batys P., Morga M., Bonarek P., Sammalkorpi M. pH-Induced Changes in Polypeptide Conformation: Force-Field Comparison with Experimental Validation. J. Phys. Chem. B, 2020, 124(14), P. 2961–2972.

30. Resende L.F.T., Basilio F.C., Filho P.A., Therezio E.M., Silva R.A., Oliveira O.N., Marletta A., Campana P.T. Revisiting the conformational ´ transition model for the pH dependence of BSA structure using photoluminescence, circular dichroism, and ellipsometric Raman spectroscopy. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 259(1), P. 129142.

31. Stepanenko D., Wang Y., Simmerling C. Assessing pH-Dependent Conformational Changes in the Fusion Peptide Proximal Region of the SARSCoV-2 Spike Glycoprotein. Viruses, 2024, 16, P. 1066.

32. Phillips J.C., Braun R., Wang W., Gumbart J., Tajkhorshid E., Villa E., Chipot C., Skeel R.D., Kale L., Schulten K. Scalable molecular dynamics ´ with NAMD. J Comput Chem., 2005, 26, P. 1781–1802.

33. MacKerell Jr. A.D., Bashford D., Bellott M., Dunbrack Jr. R.L., Evanseck J.D., Field M.J., Fischer S., Gao J., Guo H., Ha S., Joseph-McCarthy D., Kuchnir L., Kuczera K., Lau F.T.K., Mattos C., Michnick S., Ngo T., Nguyen D.T., Prodhom B., Reiher W.E., Roux B., Schlenkrich M., Smith J.C., Stote R., Straub J., Watanabe M., Wiorkiewicz-Kuczera J., Yin D., Karplus M. All-atom empirical potential for molecular modeling and ´ dynamics studies of proteins. J. Phys. Chem. B., 1998, 102(18), P. 3586–3616.

34. Huang J., Rauscher S., Nawrocki G., Ran T., Feig M., de Groot B.L., Grubmuller H., MacKerell Jr. A.D. CHARMM36m: an improved force field ¨ for folded and intrinsically dis-ordered proteins. Nature Methods, 2016, 14, P. 71–73.

35. Radak B.K., Chipot C., Suh D., Jo S., Jiang W., Phillips J.C., Schulten K., Roux B. Constant-pH Molecular Dynamics Simulations for Large Biomolecular Systems. J. Chem. Theory Comput., 2017, 13(12), P. 5933–5944.

36. Zhu F, Schulten K. Water and Proton Conduction through Carbon Nanotubes as Models for Biological Channels. Biophysical Journal, 2003, 85(1), P. 236–244.

37. Darden T., York D., Pedersen L. Particle mesh Ewald: An N·log(N) method for Ewald sums in large systems. J. Chem. Phys., 1993, 98, P. 10089– 10092.

38. Jorgensen W.L., Chandrasekhar J., Madura J.D., Impey R.W., Klein M.L. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J. Chem. Phys., 1983, 79, P. 926–935.

39. Kucherenko M.G., Rusinov A.P., Chmereva T.M., Ignat’ev A.A., Kislov D.A., Kruchinin N.Yu. Kinetics of photoreactions in a regular porous nanostructure with cylindrical cells filled with activator-containing macromolecules. Optics and Spectroscopy, 2009, 107(3), P. 480–485.


Дополнительные файлы

Рецензия

Для цитирования:


Кручинин Н.Ю. Контролируемый выход однородных полипептидов из углеродной нанотрубки при изменении водородного показателя: молекулярнодинамическое моделирование. Наносистемы: физика, химия, математика. 2025;16(5):650-659. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-5-650-659

For citation:


Kruchinin N.Yu. Controlled release of homogeneous polypeptides from carbon nanotubes with varying PH: molecular dynamics simulation. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2025;16(5):650-659. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-5-650-659

Просмотров: 23


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-8054 (Print)
ISSN 2305-7971 (Online)