КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-43-02210
НазваниеЭкспериментальное и теоретическое исследование радиационно-индуцированного межмолекулярного переноса энергии и заряда в биологически значимых гетероциклических молекулярных системах в целях нового понимания взаимодействия радиации с живой материей
Руководитель Трофимов Борис Александрович, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Иркутский институт химии им. А.Е.Фаворского Сибирского отделения Российской академии наук" , Иркутская обл
Конкурс №113 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-504 - Электронно-возбужденные системы, фотохимия, радиационная химия, спиновая химия
Ключевые слова Межмолекулярный перенос энергии и заряда; радиационно-индуцированные процессы; высоковозбужденные состояния; внутривалентные электронные вакансии; ионизация и диссоциация; межмолекулярный кулоновский распад (ICD); Оже-распад; распад, опосредованный переносом электронов (ETMD); перенос протона; электронный удар; реакционный микроскоп; неэмпирические расчеты; биомолекулярные системы; молекулярные кластеры; гетероциклические молекулы; радиационное повреждение и защита от радиации
Код ГРНТИ31.15.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Взаимодействие ионизирующего излучения с живой материей является повсеместным, неизбежным, а иногда желательным, например, в контексте терапевтических приложений. Происходящие при этом процессы сложны, поскольку биологические системы обычно представляют собой ансамбли гетероциклических молекул, связанных друг с другом и молекулами окружения. В то время как процессы релаксации возбужденных и ионизированных состояний отдельных молекул хорошо известны, в молекулярных комплексах они все еще слабо изучены. Есть основания полагать, что даже не все из них идентифицированы, так как нелокальный характер переноса энергии и заряда подразумевает большое разнообразию релаксационных сценариев. Примером может служить межмолекулярный кулоновский распад (ICD) при котором после внутривалентной ионизации молекулы или атома в слабосвязанной системе происходит эмиссия электрона из соседнего фрагмента с образованием пространственно разделенных вакансий внешневалентных уровней и последующей диссоциацией системы. Недавно был открыт новый вариант данного процесса, т.н. двойной ICD (dICD), приводящий к ионизации двух молекул окружения и испусканию двух медленных электронов (LEE), а, следовательно, обладающий значительно большей радиационной токсичностью по сравнению с ICD.
Настоящий проект посвящен актуальной проблеме взаимодействия ионизирующего излучения с живой материей. Более конкретно, он направлен на систематическое изучение на микроскопическом уровне процессов межмолекулярного переноса энергии и заряда, инициируемых ионизацией внутренних оболочек, а также факторов, определяющих эффективность таких процессов. Помимо процессов ICD, будут исследованы новые нелокальные каналы, такие как dICD, распад, опосредованный переносом электронов (ETMD) и перенос протона, а также будет осуществлен поиск ранее неизвестных нелокальных процессов. Особое внимание будет уделено моделированию биосистем с использованием подходящих гетероциклических молекул и их окружения. Проект будет осуществляться усилиями экспериментальной и теоретической групп с опытом успешного сотрудничества.
Китайская группа будет изучать механизмы релаксации с помощью спектрометра для одномоментной регистрации импульсов нескольких заряженных частиц (реакционного микроскопа) в сочетании с источником электронов. Это позволит получать важную динамическую информацию, характеризующую электронные состояния, спектры ионизации, распределение энергии и импульсов электронов, вероятности различных процессов и т.д. Теоретическая поддержка будет осуществляться российской группой, которая будет проводить высокоуровневые неэмпирические расчеты электронной структуры с использованием пропагаторных методов алгебраического диаграммного построения (ADC) и связанных кластеров (EOM-CC). Исследования также будут включать дальнейшее развитие используемых вычислительных схем ADC и расчеты методами молекулярной динамики.
Нелокальные конечные состояния в кластерах, как правило, энергетически более доступны, чем локальные Оже-состояния. Однако реальная ситуация в биосистемах зависит от электронных свойств (таких как энергии ионизации, дипольные моменты и т.д.) участвующих гетероциклических молекул. Таким образом, различные аспекты ICD и других нелокальных процессов распада могут быть изучены путем систематического варьирования гетероциклов, их заместителей и окружения в интересующих системах. Возможность таких исследований будет рассмотрена в рамках настоящего проекта, поскольку широкий спектр функционализированных пирролов, имидазолов, пиридинов и индолов доступен российской команде, возглавляемой известным специалистом в области химии гетероциклов, академиком Б.А. Трофимовым.
В целом, предлагаемый проект направлен на получение новых знаний, которые расширят наши возможности по контролю взаимодействия ионизирующего излучения с живыми системами, а также внесут свой вклад в разработку методов радиационной защиты и новых более эффективных подходов к противоопухолевой терапии.
Ожидаемые результаты
Проект имеет в первую очередь фундаментальную направленность. Предлагаемый комплексный экспериментально-теоретический подход позволит впервые систематически подробно изучить ключевые компоненты общей многоплановой картины взаимодействия биологических систем с ионизирующей радиацией. В результате целенаправленного выбора исследуемых молекулярных комплексов, моделирующих блоки и взаимодействия биологических систем, тесной координации усилий экспериментальной и теоретической групп, использования наиболее совершенных инструментальных подходов спектроскопии нескольких заряженных частиц и методов квантовохимического моделирования, будет получен и проанализирован большой массив новых данных, характеризующих доминирующие в биосистемах нелокальные каналы сверхбыстрого распада состояний с вакансиями внутренних уровней.
Более конкретно, впервые будут проведены экспериментальные исследования индуцированных электронным ударом процессов ICD, dICD, ETMD, Оже и переноса протона в молекулярных комплексах, построенных из гетероциклических и ароматических молекул (пиррол, пиридин, имидазол, пиримидин, индол, фуран, тиофен, нуклеиновые основания, бензол) и их функционализированных производных. Будут рассмотрены димеры, тримеры и тетрамеры этих молекул, а также их ассоциаты с различным количеством молекул воды. Будет получена динамическая информация, характеризующая электронные состояния, спектры ионизации, распределение энергии и импульсов электронов, вероятности различных процессов. Для интерпретации экспериментальных данных будет проведено теоретическое моделирование с использованием надежных методов расчета электронной структуры, таких как пропагаторные методы ADC и методы связанных кластеров EOM-CC. Теоретические исследования также будут включать расчеты молекулярной динамики для учета каналов распада через межмолекулярный перенос протона. На основании полученных новых данных будут установлены связи между начальными возбужденными (ионизированными) состояниями и каналами релаксации, получены характеристики распределения энергии низкоэнергетических электронов, изучена относительная эффективность различных каналов девозбуждения, а также установлены тенденции в динамике девозбуждения в зависимости от природы гетероциклических молекул (т.е. типа гетероатомов и заместителей).
Значительное внимание будет уделено расширению возможностей оригинального оборудования, используемого для проведения экспериментальных исследований (Китайская группа). Эксперимент представляет собой разновидность фотоэлектронной спектроскопии с источником возбуждения в виде электронного удара и последующей одномоментной регистрацией энергий и масс образующихся заряженных частиц (mutiparticle coincidence momentum spectroscopy). Используемые здесь спектрометры также часто называются электронными реакционными микроскопами (electron collision reaction microscopes). В результате выполнения проекта будет значительно повышена чувствительность этих инструментов и их разрешающей способности в отношении кинетической энергии регистрируемых частиц. Достигнутый прогресс заложит прочный фундамент для последующих исследований и выведет на новый уровень возможности по надежной регистрации динамики сверхбыстрых процессов межмолекулярного переноса энергии и заряда. Созданное оборудование может быть использовано для изучения молекулярных систем других классов, а также в смежных областях науки.
Другим важным аспектом экспериментальных исследований является способность надежно создавать газофазные ассоциаты (кластеры) молекул (однородные, такие как димеры, тримеры и т.д. гетероциклических молекул, или смешанные, такие как их комплексы с молекулами воды). В результате выполнения проекта будут разработаны усовершенствованные источники молекулярных кластеров с использованием сверхзвукового газового потока.
Не менее важную роль, чем экспериментальное оборудование, в рамках проекта играют неэмпирические расчетные методы квантовой химии. Они представляют собой основной инструмент теоретических исследований. Поскольку рассматриваемые задачи во многом выходят за рамки обычного квантовохимического моделирования, так как предполагают расчет спектров однократной, двукратной и трехкратной ионизации, связанных с вакансиями внутривалентных оболочек, большинство стандартных методов и общедоступного программного обеспечения не подходит для проведения расчетов. Отсюда вытекает необходимость использования более специализированных подходов, каковыми являются пропагатороные (основанные на теории функций Грина) методы, развиваемые на протяжении многих лет в Российской группе. В то же время, рассматриваемые в проекте молекулярные системы достаточно велики, поэтому эффективность используемого программного обеспечения начинает играть важную роль. В связи с этим будет проведен критический анализ эффективности имеющихся реализаций схемы ADC(3) для электронного пропагатора и схемы ADC(2) для двухчастичного пропагатора в расчетах больших систем, выявлены и устранены их узкие места, мешающие расчетам. В частности, апгрейд коснется модулей для нахождения собственных значений и собственных векторов на базе блочных алгоритмов Дэвидсона и Ланцоша, играющих важную роль в расчете спектров. Будут реализованы и опробованы различные подходы к выполнению ключевого шага данных процедур – умножению матрицы ADC на итерируемые собственные векторы, что повысит производительность программ. Кроме того, будет значительно увеличена доля параллельных вычислений.
Еще одним важным элементом программной разработки станет стыковка оригинального пакета программ по методам ADC (работающего в настоящее время с комплексом программ GAMESS-US) с российской программой Firefly, разрабатываемой в Лаборатории квантовой фотодинамики Московского государственного университета, что станет важным шагом в плане повышения независимости отечественных исследований от импортного программного обеспечения. Полученный в результате существенно обновленный и расширенный пакет программ по методам ADC, работающий совместно с комплексом Firefly, существенно обогатит арсенал квантовохимических методов для решения широкого круга задач фотофизики и фотохимии.
Теоретические исследования dICD-процессов требуют расчета трехкратно ионизированных конечных состояний. В нашем подходе, основанном на пропагаторной идеологии, это может быть достигнуто путем использования приближения ADC(2) для ppp-пропагатора. Единственная известная нам на данный момент реализация этой схемы принадлежит профессору П. Колоренчу (Карлов университет, Прага, Чешская Республика), который любезно согласился предоставить нам свой код. Поскольку расчет трехкратной ионизации является довольно редкой задачей, метод еще не был должным образом протестирован и оценен. Поэтому такая работа будет проведена в сотрудничестве с П. Колоренчем в ходе проекта до проведения соответствующих исследований.
На основе результатов экспериментов и расчетов, выполненных на предыдущих этапах проекта, будут предложены экспериментальные условия (например, конкретные энергии возбуждающих электронов) и/или молекулярные комплексы (с использованием гетероциклических соединений, различающихся заместителями) для поиска ранее неизвестных нелокальных механизмов распада, помимо ICD, dICD и ETMD.
В целом, на основе полученных данных будут сделаны выводы о механизмах, закономерностях и возможностях управления протекающими процессами. Возможно будут открыты новые механизмы или скорректированы представления об уже известных. Большое внимание будет уделено вопросу о перспективах сдвига в нужную сторону результатов воздействия ионизирующей радиации на молекулярную мишень. Полученное в результате выполнения проекта лучшее понимание механизмов нелокальных распадов высоковозбужденных состояний молекулярных систем позволит дать, по крайней мере, предварительные ответы, касающиеся, например, того, как за счет изменения химического состава окружения (циркулирующих в тканях веществ) можно целенаправленно влиять на перераспределение энергии начального возбуждения в целях ее более активного рассеяния или концентрации. Полученные данные также позволят получить понимание того, как можно стимулировать или подавлять образование вторичных электронов, а также тех или иных радикалов, что может быть в зависимости от ситуации необходимо либо для защиты тканей от повреждения радиацией, либо напротив – для усиления ее воздействия на ткани, например, в ходе лучевой терапии.
Все это даст новый импульс к развитию молекулярной радиобиологии, а в перспективе – откроет путь к более осмысленному применению ионизирующей радиации в медицине. Результаты проекта могут, по сути, стать фундаментом для целой области, изучающей на микроскопическом молекулярно-атомном уровне первичные и вторичные радиобиологические процессы. Так, весьма вероятно, что в данном контексте найдет свое дальнейшее развитие тема получения контроля над прямым и косвенным действием ионизирующего излучения на критические мишени клеток – молекулы ДНК, а также репарации клеток (ДНК) после радиационного воздействия. Все это, очевидно, также является актуальным в рамках проблемы защиты живых организмов от радиации.
Кроме того, результаты проекта могут найти применение при создании радиофармацевтических лекарственных препаратов, новых технологий, связанных с разработкой радиационно-стойких органических материалов, применением радиолиза, развитием методик дезинфекции и стерилизации, борьбой с радиотоксинами, защитой продуктов питания и лекарственных препаратов от радиации.