Link tải miễn phí luận văn
Trình bày phần mềm SQADN, SQDOCK và các kết quả thu được khi sử dụng phần mềm SQADN cho nghiên cứu gắn kết các phối tử nhỏ lên phân tử ADN, trình bày kết quả thu được khi sử dụng phần mềm SQDOCK cho quá trình gắn kết các phối tử nhỏ lên phân tử Protein. Đồng thời chỉ ra vai trò của lực lượng tử trong quá trình mô phỏng hồi phục. Kết quả cho thấy đã xác định được cấu dạng gắn kết của phối tử trên phân tử ADN, Proten, đánh giá được khả năng gắn kết các phối tử và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng gắn kết của ADN, protein, các bazơ nitơ khác nhau và vị trí khác nhau của loại bazơ trong phân tử ADN có khả năng gắn kết khác nhau, đánh giá vai trò của lực lượng tử trong quá trình gắn kết và sử dụng mô hình nguyên tử H linh động trong quá trình hồi phục ảnh hưởng đến năng lượng hình thành đám và tăng chi phí thời gian tính, nhưng có cấu dạng chính xác
MỞ ĐẦU
Trong cơ thể sinh vật luôn luôn xảy ra quá trình kết hợp và phân tách
của những phân tử, đó là các quá trình sinh hoá để duy trì sự tồn tại của sinh
vật. ADN và protein là những đại phân tử trong cơ thể, có vai trò vô cùng
quan trọng với sự sống, thể hiện ở khả năng kết hợp với các phân tử khác
cũng như khả năng phân tách của chúng. Quá trình gắn kết (docking) của các
phân tử nhỏ (phối tử - ligand) lên đại phân tử ADN hay protein là một trong
những quá trình sinh hoá trong cơ thể sinh vật, đang được các nhà khoa học
trên thế giới rất quan tâm. Quá trình gắn kết khi được xét ở mức độ cơ sở
phân tử, luôn được bắt đầu bằng quá trình phối tử tiến lại gần đại phân tử rồi
gắn kết vào vị trí thích hợp (active site) trên đại phân tử. Xác định “vị trí thích
hợp” ở đâu trên đại phân tử, cũng như nghiên cứu cấu trúc của phức hình
thành: “phối tử - đại phân tử” chính là mục đích nghiên cứu của luận án.
Trong những thập kỷ gần đây, đặc biệt là những năm gần đây, công
nghệ máy tính, tin học phát triển một cách nhanh chóng và kỳ diệu, đủ đáp
ứng yêu cầu của những bài toán lớn, phức tạp mà trước đó không thể thực
hiện được. Song song với sự phát triển của công nghệ máy tính, các ngôn ngữ
lập trình (Pascal, C++, Fortran, Visual basic…) liên tục được cải tiến, ngày
càng gần gũi, thân thiện và dễ sử dụng. Fortran là ngôn ngữ lập trình cấp cao,
được các nhà khoa học ưa chuộng và sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các
nghiên cứu về mô phỏng. Hiện nay có rất nhiều phần mềm được sử dụng
trong mô phỏng và tính toán các hệ “protein-phối tử” như là: Monte Carlo,
MD, Gamess, Fhi, Mopac… được viết bằng ngôn ngữ Fortran với mã nguồn
(source code) được cung cấp miễn phí.
Những nghiên cứu trước đây về gắn kết đều sử dụng tương tác cơ học
phân tử - MM (Molecular mechanics). Ưu điểm của mẫu cơ học phân tử là
khả năng tính toán nhanh và thích hợp với những hệ có số nguyên tử lớn. Tuy vậy, những kết quả thu được từ mẫu MM chỉ mang tính gần đúng và có
những giới hạn nhất định khi sử dụng. Để nghiên cứu bức tranh chi tiết của
quá trình gắn kết, đặc biệt khi cần khảo sát quá trình di chuyển electron
giữa “phối tử với ADN hay protein” xảy ra trong quá trình hoạt động hoá
phức trung gian Michaelis, tương tác lượng tử cần được tính đến. Tuy có ưu
điểm là tính chính xác cao nhưng các phương pháp lượng tử lại đòi hỏi chi phí
thời gian tính toán rất lớn và rất khó khăn khi áp dụng với các đối tượng có
kích thước lớn như phân tử ADN và protein. Một trong những xu hướng gần
đây để giải quyết những khó khăn gặp phải trong nghiên cứu gắn kết là sử
dụng gần đúng đám nguyên tử (cluster) [5, 15] kết hợp với gần đúng bán
lượng tử. Ý tưởng của phương pháp gần đúng này là: tương tác giữa phối tử
và những nguyên tử gần (của ADN hay protein) thuộc về đám thì sử dụng
tính toán lượng tử, tương tác giữa phối tử và những nguyên tử còn lại (nguyên
tử xa) nằm ngoài đám của đại phân tử được tính toán bằng cơ học phân tử.
Thước đo độ bền của phức được hình thành giữa phối tử và phân tử lớn là
năng lượng tổng cộng của hệ “phối tử - đại phân tử” đạt cực tiểu. Hiện nay
trên thế giới chưa có một tính toán nào sử dụng trực tiếp tính toán lượng tử
vào nghiên cứu gắn kết của phối tử và đại phân tử. Theo những phần mềm
tính toán về gắn kết hiện nay [16, 20, 33, 34, 50, 91, 99], năng lượng tính
được có sai số khoảng 15% so với hàng rào năng lượng tạo phức gắn kết, nên
nhiệm vụ của luận án này mong muốn sử dụng ý tưởng “đám gắn kết” [59]
tính toán trực tiếp tương tác lượng tử trong các nghiên cứu gắn kết.
Nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết về nghiên cứu quá trình gắn kết, cùng
với nguồn tài nguyên sẵn có (mã nguồn của MD44 và Gamess được cung cấp
miễn phí) nên chúng tui chọn nghiên cứu đề tài “Ứng dụng phương pháp mô
phỏng động lực phân tử nghiên cứu tương tác giữa phối tử với protein và
ADN”. Bằng việc cải tiến, nâng cấp mã nguồn mở của hai phần mềm MD44 và Gamess, đồng thời thêm các chương trình con cần thiết, các thuật toán mới
nhằm áp dụng trên đối tượng là các phối tử nhỏ gắn kết lên các đại phân tử.
Nghiên cứu gắn kết của phối tử lên ADN và protein cần tiến hành cải
tiến hai phần mềm MD44 và Gamess, tổ hợp hai phần mềm cho các tính toán
tương tác xa và tương tác gần. Phương pháp hồi phục động lực phân tử bán
lượng tử được sử dụng trong luận án để nghiên cứu tìm cấu trúc và tìm vị trí
đám hình thành trên phân tử ADN và protein. Với phương pháp gần đúng
đám nguyên tử, kết hợp với kỹ thuật lưới (grid), kỹ thuật nguyên tử H thay thế
(cascadeur), sử dụng ngôn ngữ lập trình FORTRAN ghép nối hai phần mềm
MD44 và Gamess, nhằm nâng cấp phần mềm SQUARED (vẫn được sử dụng
để nghiên cứu các phản ứng trong pha khí) tạo ra phần mềm SQADN sử dụng
để nghiên cứu sự gắn kết phối tử nhỏ (CO, HCHO, H2O, CH3OH, HCN,
HCOOH, H2N-NH2, (NH2)2CO, C6H5CH2NH2) cho đối tượng phân tử ADN.
Tiếp tục nâng cấp phần mềm SQADN thành phần mềm SQDOCK để nghiên
cứu sự gắn kết các phối tử nhỏ ((NH2)2CO, H2N-NH2, CH3COOH) lên phân
tử protein. Các nghiên cứu với các phối tử được chọn nhằm mục đích kiểm
chứng tính đúng đắn của hai phần mềm thu được, nên các tính toán trong luận
án tập trung vào các tính chất định tính, các quy luật tự nhiên ảnh hưởng đến
quá trình gắn kết, để minh chứng cho sự phù hợp của phương pháp tính và
mức độ tin cậy của các phần mềm thu được.
Trong luận án này, các phối tử nhỏ nêu trên được gắn kết lên một đoạn
mạch đơn ADN bao gồm 10 bazơ nitơ. Với mục đích xây dựng mô hình tính
toán, đoạn ADN được cắt ra từ một chuỗi xoắn kép ADN để đại phân tử có
mức độ phức tạp vừa phải, chứa các bazơ nitơ ở các vị trí ngẫu nhiên, phù
hợp yêu cầu cho mô hình thử nghiệm nghiên cứu quá trình gắn kết. Phân tử
protein được chọn để nghiên cứu là nhánh A của phân tử 3ptb gồm 222 axit amin cấu tạo nên, file cấu trúc phân tử Protein (3ptb.pdb) được lấy trong ngân
hàng dữ liệu protein (Protein Data Bank - pdb).
Những điểm mới của luận án:
Với ý tưởng đám, bằng việc kết hợp tính toán lượng tử ở khoảng cách
gần, lực cơ học phân tử ở khoảng cách xa, lần đầu tiên chúng tui đã khảo sát
tính toán trực tiếp được tương tác “phối tử-đại phân tử” bằng lực lượng tử.
Bằng việc viết thêm các chương trình con, với các ý tưởng mới: hộp
mô phỏng, kỹ thuật lưới, nguyên tử H thay thế, luận án đã nâng cấp phần
mềm SQUARED thành phần mềm mới SQADN và SQDOCK cho nghiên cứu
các đối tượng sinh hoá.
Sử dụng các phần mềm thu được, nghiên cứu quá trình gắn kết của các
phối tử nhỏ lên ADN cho những kết quả: xác định được cấu trúc đám hình
thành sau gắn kết, tính được độ dài liên kết hiđrô trong các đám hình thành,
xác định được vị trí gắn kết tốt nhất trên đại phân tử ứng một phối tử xác
định, đồng thời xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng gắn kết của
phối tử nhỏ lên đại phân tử. Những kết quả này phù hợp với các quy luật
chung đã khẳng định phương pháp nghiên cứu là phù hợp và phần mềm thu
được có độ tin cậy và độ chính xác cần thiết.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Luận án nghiên cứu về gắn kết phối tử lên phân tử lớn lần đầu tiên
được thực hiện tại Việt nam, là một hướng nghiên cứu lý thuyết sẽ gắn liền
với thực tiễn trong tương lai. Những kết quả thu được của luận án là định
hướng cho nghiên cứu tìm vị trí gắn kết trên đại phân tử của mỗi loại phối tử
khác nhau. Bên cạnh đó, cấu trúc đám hình thành và khả năng gắn kết của
phối tử lên đại phân tử có mối liên hệ rất gần gũi với cơ chế hoạt động của
thuốc cũng như khả năng nhiễm bệnh của cơ thể sinh vật. Kết quả của luận án
có thể mở rộng áp dụng cho việc định hướng, đánh giá khả năng điều trị của
/file/d/0Bz7Zv9 ... sp=sharing
