Superkomputer KDM: Zastosowania

Proponujemy przeprowadzenie serii badań dotyczących wpływu nanostruktur (takich jak grafen, nanorurki, itp.) na błonę komórkową. Zaplanowane symulacje komputerowe będą prowadzone techniką Molecular Dynamics, przy wykorzystaniu w pełni atomistycznego modelu oddziaływań i obejmują kilka obszarów działań.
Jeden z nich dotyczy poznania złożonego i wieloskalowego mechanizmu smarowania stawów u zwierząt, który jest jednym z najskuteczniejszych w przyrodzie. Jednym z jego najważniejszych czynników jest nawilżenie, które jest wynikiem interakcji między dwuwarstwami fosfolipidowymi (wraz z ich oddziaływaniem z wodą) obecnymi na powierzchni chrząstki stawowej [1]. Z drugiej strony grafen wśród wielu swoich właściwości wykazuje niezwykłe właściwości smarne, określane jako superlubrykacja [2, 3]. Planujemy zbadanie oddziaływania dwuwarstwy z poruszającym się grafenem, przy użyciu metod nierównowagowych (Steered Molecular Dynamics).
Prace planujemy podzielić na dwa etapy. W pierwszym z nich umieścimy grafen pomiędzy hydrofobowymi ogonami fosfolipidowymi pierwszej i drugiej warstwy. W drugim grafen będzie umieszczony pomiędzy dwoma dwuwarstwami - w tym przypadku interesuje nas zbadanie oddziaływań pomiędzy grafenem a hydrofilowymi częściami membrany. W drugim opisywanym przypadku planujemy rozszerzenie symulacji o zbadanie wpływu wody na opisywany układ mając na uwadze znaczącą jej ilość znajdującą znajdującą się w organizmach żywych.
Proponowane badania chcemy przeprowadzić dla kilku prędkości przesuwania grafenu oraz dla różnych modeli dwuwarstwy, np. zbudowanych tylko z lipidów typu DMPC (1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine), tylko z lipidów typu DMPE (1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine) oraz zbudowanych z lipidów typu DMPC oraz cholesterolu.

Zamierzamy również zbadać oddziaływania grafenu z białkami w warunkach równowagowych. Jest to bardzo interesujący, jednak wciąż słabo poznany obszar, szczególnie w zakresie wykorzystania nanostruktur w nanomedycynie. Poznanie wpływu nanostruktur na złożone biomakromolekuły będzie stanowiło znaczący wkład w odpowiedź na pytanie o ich wykorzystanie jako biosensorów, kontenerów na leki itp. [4]. Dodatkowo badać będziemy oddziaływanie grafenu z biopolimerami: kwasem hialuronowym, chitozanem, chityną itp. w celu projektowania biomateriałów do zastosowań medycznych. Jednym z potencjalnych zastosowań biomateriałów jest użycie ich w terapii raka, gdzie mogą być pomocne w terapii Dox [5].

[1] Z. Pawlak et al., Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 146, 452 (2016).
[2] I. Leven, D. Krepel, O. Shemesh, and O. Hod, The Journal of Physical Chemistry Letters 4, 115 (2013).
[3] Z. Pawlak et al., Biosystems 94, 202 (2008).
[4] P. Hampitak et al., Carbon 165, 317 (2020).
[5] N. Pramanik et al., ACS Omega 4, 5, 9284 (2019).