Woźniak Aleksander
Zakład Dydaktyczny Chemii Teoretycznej i Krystalografii
Pracownia Chemii Kwantowej
Model obliczeniowy migracji dziury elektronowej w DNA w ujęciu dynamiki molekularnej
Aleksander Woźniak
Promotor: prof. dr hab. Andrzej Leś
Zjawisko przewodnictwa elektrycznego kwasu deoksyrybonukleinowego zostało odkryte kilka lat po rozwiązaniu jego struktury krystalograficznej [1]. Polega ono na przemieszczaniu się nadmiarowego ładunku elektrycznego poprzez ciąg oddziałujących stackingowo zasad azotowych w podwójnej helisie DNA. W zależności od rodzaju ładunku wyróżnia się przewodnictwo elektronowe, w którym biorą udział głównie zasady pirymidynowe, oraz przewodnictwo dziurowe, w które zaangażowane są zasady purynowe i które stanowi przedmiot badań w pracy [2].
Posiłkując się wcześniejszymi badaniami w zakresie symulacji przewodnictwa dziurowego [3] opracowano oparty na algorytmie dynamiki molekularnej model obliczeniowy migracji dziury elektronowej w DNA według mechanizmu hoppingu — sekwencji przeskoków ładunku pomiędzy sąsiednimi zasadami. Zajście każdego przeskoku zdetermino-wane jest różnicą pomiędzy wertykalnym powinowactwem elektronowym (VEA) naładowanej zasady (kationorodni-ka) a wertykalną energią jonizacji (VIP) jednej z zasad sąsiednich. Aby przyspieszyć obliczenia, w modelu zaimple-mentowano metodę obliczenia VIP i VEA polegającą na rozkładaniu chwilowego wychylenia zasady z geometrii rów-nowagowej na zestaw wychyleń wzdłuż kolejnych modów normalnych i obliczaniu w sposób parametryczny wkładów energetycznych pochodzących od poszczególnych modów. Metoda ta okazała się dawać bardzo dobre wyniki, po-równywalne z uzyskiwanymi za pomocą obliczeń de novo.
Za pomocą stworzonego modelu przeprowadzono szereg symulacji, na podstawie których oceniono właściwości prze-wodzące czterech rodzajów homopolimerycznych nici DNA. Na uwagę zasługują wyniki otrzymane dla sekwencji po-lipirymidynowych, które nie są możliwe do uzyskania metodami eksperymentalnymi. Bardzo dobrym przewodnic-twem elektrycznym charakteryzują się zwłaszcza nici policytydynowe, które po wprowadzeniu odpowiednich modyfi-kacji chemicznych struktury DNA w celu stabilizacji ładunku dodatniego na cytozynie mogą posłużyć jako wydajne druty molekularne.
Literatura
[1] Eley D. D., Spivey D. I. Trans. Faraday Soc. 1962, 58, 411
[2] Fujitsuka M., Majima T. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 11234