Предложен новый подход к определению размера атомов

Сегодня, когда новые лекарства разрабатывают на суперкомпьютерах, когда электроника работает в наномасштабе, ученым важно понимать, как ведут себя соседние молекулы по отношению друг к другу. Для этого нужно максимально точно знать эффективный размер атомов. Современные методы квантовой химии могут помочь в этом, однако их ответы либо недостаточно точны, либо их получение занимает месяцы работы суперкомпьютеров. Ученые Университета ИТМО и их коллеги из РАН предложили новый метод статистического анализа силы межмолекулярных взаимодействий и размеров атомов. Их работа попала на обложку журнала ChemPhysChem. 

С точки зрения химии все мы живем в мире постоянных межмолекулярных взаимодействий. Процесс заварки чая, переваривание еды в нашем организме, жесткость нового вида пластика – все это зависит от характера взаимодействий отдельных молекул между собой. Проблема в том, что современные методы квантовой химии не позволяют полностью и точно описывать характеристики межмолекулярных взаимодействий.

Между тем, на современном уровне науки ученым важно понимать, какова энергия межмолекулярных взаимодействий. Исследователям надо точно знать, как взаимодействуют молекулы лекарства с клетками организма, или как упакованы молекулы в новом органическом полупроводниковом материале. Небольшие изменения в характере взаимодействия между молекулами могут сделать разработку очень эффективной, или наоборот крайне неконкурентоспособной.

Химики нашли выход – чтобы определять, насколько межмолекулярные взаимодействия определяют свойства химической системы, они стали использовать принцип эффективного размера атомов, или, как их называют, Ван-дер-Ваальсовых радиусов. В этой концепции предполагается, что сближение атомов из разных молекул на расстояние меньше некоторого свидетельствует о важности соответствующего взаимодействия, в противном случае им можно пренебречь.

Однако из-за особенностей методики определения вандерваальсовых радиусов их значения оказываются занижены на 10-15 процентов. В результате в анализ химических систем зачастую закрадываются ошибки – многие важные взаимодействия отбрасываются как незначительные, что делает работу исследователей менее эффективной. Группа ученых Университета ИТМО в сотрудничестве с сотрудниками ИнЭОС РАН предложила новый метод статистического анализа, который позволяет точнее определять размер атомов.

«Как обычно рассчитывается эффективный размер атомов, – рассказывает научный сотрудник Университета ИТМО Иван Чернышов, – у нас есть данные о всех возможных вариантах взаимодействия некоторых двух атомов. Если построить на их основе график распределения межатомных дистанций, то из него можно будет увидеть усредненное расстояние, соответствующее анализируемому взаимодействию.

Однако возможно это не всегда, поэтому вместо наиболее вероятной дистанции из графика достается другая, приближенная величина. Мы смогли обойти эту проблему, придумав способ отсеивания случайных контактов от «прямых» взаимодействий, в которых на «линии взгляда» между центрами двух атомов не находятся другие, экранирующие атомы», – поясняет соавтор исследования.

Несмотря на то, что российские ученые предложили для решения сложнейшей задачи из мира квантовой химии сравнительно простой статистический метод, он позволяет получать достаточно точные данные, необходимые для оценки размеров атомов, молекул, для оценки характера межмолекулярных взаимодействий, что очень важно для современных приложений.

«Сейчас активно исследуются взаимодействия между лекарствами и белками в организме, – поясняет Чернышов, – У вас есть хорошая молекула, которая показала свою эффективность, но для реального применения ее нужно улучшить, усилив связывания с активным центром. Для этого вы берете данные об эффективных размерах атомов, и смотрите, какие из наблюдаемых вами в структуре связанного белка взаимодействия важны, а какими можно пренебречь.

Те значения, которые до настоящего момента брались, определялись эмпирически и не имели конкретного физического смысла. Наш метод позволит значительно увеличить точность расчетов, особенно для новых, не изучавшихся ранее систем».

Университет ИТМО

29 статей

Университет ИТМО (Санкт-Петербург) — национальный исследовательский университет, ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий. Альма-матер победителей международных соревнований по программированию: ICPC (единственный в мире семикратный чемпион), Google Code Jam, Facebook Hacker Cup, Яндекс.Алгоритм, Russian Code Cup, Topcoder Open и др. Приоритетные направления: IT, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, урбанистика, Art&Science, Science Communication.

Показать больше