Accentul principal pe grup se referă la auto-asamblare ierarhică și la modul în care astfel de procese pot fi modelate. Primul proiect cu această temă a fost „Crearea unui cadru pentru modelarea auto-asamblării ierarhice a blocurilor de construcție anizotrope”. Cei doi ani ai proiectului au permis înființarea grupului de cercetare, care acum în sine crește ierarhic. Proiectul a fost finanțat de UEFISCDI (numărul proiectului PN-II-RU-TE-2014-4-1176) și a durat din octombrie 2015 până în septembrie 2017.

Obiective:

  • crearea unui cadru pentru modelarea blocurilor de construcție anizotrope pe scări de lungime, utilizând tehnici avansate de granulare grosieră
  • studierea peisajelor energetice ale unor sisteme de auto-asamblare ierarhic selectate

Abstract:

Auto-asamblarea ierarhică este unul dintre cele mai promițătoare instrumente în nanotehnologie. În sistemele biologice, astfel de procese au fost deja perfecționate în timpul evoluției și implică formarea succesivă a unor blocuri de construcție din unități mai mici, care la rândul lor se auto-asamblează în structuri mai mari într-un mod ierarhic (de exemplu, proteine ​​ale capsidei virusului, filamente de keratină, fibrile amiloide etc. ). În prezent, modelarea computațională a proceselor de asamblare la nano-scară este posibilă numai cu metode cu granulație grosieră, alese în mod corespunzător pentru dimensiunea sistemului și problema specială. Cu toate acestea, auto-asamblarea ierarhică se întâmplă adesea pe mai multe scale și fiecare strat al procesului trebuie modelat diferit: mecanica moleculară câmpuri de forță pentru plierea proteinelor, câmpuri de forță atomice unite pentru oligomerizare, modele cu granule grosiere bazate pe formămodele de mărgele) pentru asamblarea succesivă a oligomerilor proteici. Până în prezent, nu există niciun cadru care să susțină modelarea unor astfel de procese pe scări de lungime.

Scopul proiectului este de a folosi experiența PI cu modelarea blocurilor de construcție anizotrope folosind cadrul rigid al corpului și extinderea metodei pentru a acoperi decalajul dintre diferitele scale de lungime. Metoda va implica un calcul ierarhic al parametrilor blocului de construcție, obținut din studierea pe larg a peisajului energetic al componentelor lor. Această abordare va fi independentă de scară și va permite proiectarea de jos în sus a unor structuri complexe noi pe scară nanomatică.

Rezultatele proiectului:

În timpul proiectului, am creat noi metode și algoritmi pentru determinarea parametrilor cu granulație grosieră reprezentând forma unui bloc de construcție modelat cu potențiale atomistice. O altă prioritate a fost determinarea condițiilor necesare pentru formele blocurilor de construcție selectate care determină proprietățile lor ierarhice de auto-asamblare. Am creat modele fizice minime care să permită auto-asamblarea ierarhică în structuri exotice, cum ar fi poliedrele Goldberg, inele stivuite, cuști dodecaedrice etc.

Rezumatul activităților științifice în perioada 01.10.2015 – 01.12.2016:

– dezvoltarea metodelor ierarhice de granulare grosieră

– studierea agregării proteinelor de capsidă CCMV

– conceperea de noi principii de proiectare pentru auto-asamblare ierarhică prin utilizarea macroionilor

O versiune detaliată a raportului de progres poate fi descărcată de  aici .

Rezumatul activităților științifice în perioada 01.12.2016-30.09.2017:

– adaptarea metodelor ierarhice de granulare grosieră dezvoltate pentru proteinele din capsidă

– studierea dinamicii dimerilor de proteine ​​CCMV, simulări MD microsecunde

– proiectarea blocurilor de construcție adresabile capabile de auto-asamblare ierarhică

– crearea unui model minimalist pentru auto-asamblare ierarhică a cochiliilor poliedrice de simetrii exotice

– modelarea grosieră a structurilor sferice „Blackberry”

Resurse de calcul:

Calculele noastre sunt realizate pe un mic cluster de calcul de către Supermicro, cu trei GPU-uri performante Nvidia Tesla K40M și 44 de nuclee CPU. Detalii despre arhitectură găsiți  aici .

A lua legatura:

Proiectul a fost implementat în departamentul de cercetare și dezvoltare al Fundației Provitam. Adresa: strada Muncitorilor nr. 16, Sfântul Gheorghe, România.

Mass-media

Acest  videoclip  ilustrează modul în care structurile prinse cinetic se formează într-un sistem capabil să formeze o rețea Kagome (particule Janus tribloc). Aceasta este o durată de energie constantă, adaptată pentru corpuri rigide elipsoidale. Videoclipuri despre rearanjări la scară largă ale sistemelor cu granulație auto-asamblabilă pot fi găsite pe canalul meu de  YouTube .

 

Al doilea proiect al grupului s-a construit pe primul și a avut titlul „Coordonarea chimiei la scară nanomatică: proiectarea computațională a blocurilor de construcție supramoleculare capabile de interacțiuni foarte specifice, dependente de orientare”. Acest proiect a fost finanțat și de CNCS-UEFISCDI (numărul proiectului PN-III-P1-1.1-TE-2016-1279) și s-a desfășurat din mai 2018 până în aprilie 2020.

Abstract

Odată cu apariția metodelor moderne sintetice de blocuri de construcție nano și mezoscală, este acum posibil să codificăm comportamentul complex de auto-asamblare în particule relativ simple. Cu toate acestea, spațiul de parametri disponibil pentru experimentaliști este imens: trebuie să reglați anizotropia blocului de construcție, anizotropiile de interacțiune, intervalul, tipul etc. Metodele computaționale pot adăuga informații valoroase în proiectarea rațională a acestor blocuri de construcție. Modelarea cu granulație grosieră a interacțiunilor anizotrope poate ghida experimentele în regiuni ale spațiului parametrilor relevante pentru structura auto-asamblată țintă dorită.

Scopul proiectului a fost de a stabili un nou domeniu pentru auto-asamblarea blocurilor de construcție la scară nanomatică, prin aplicarea conceptelor din chimia coordonării în proiectarea nanoparticulelor, care vor deveni capabile de coordonare foarte specifică altor nanoparticule. Deși există conceptul de „molecule coloidale”, realizările experimentale sunt încă la început. Pentru a înțelege comportamentul acestor blocuri de construcție și pentru a crea cele mai simple modele posibile pentru acestea, vom folosi și vom dezvolta în continuare metode de ultimă generație în teoria peisajului energetic (optimizare globală în cadrul corpului rigid, discret eșantionarea căii și a corpului rigid MD).
În prima etapă, am explorat fizica minimă necesară pentru asamblarea cuștilor goale formate din analogi la scară nanomedică a poliedrelor Goldberg de tip MnL2n, care sunt realizate experimental prin complexe metalice de tranziție coordonate planare pătrate cu liganzi bidentați neliniari. Am constatat că cuștile cu aceeași simetrie pot fi obținute folosind o combinație de volum exclus și interacțiuni coulombice și am investigat dinamica formării coajelor goale și a tranziției între structurile concurente. A doua etapă a implicat proiectarea de noi nanoparticule anizotrope capabile de coordonare tetraedrică, plană și liniară, dând naștere unor structuri mezoscale analoge hidrocarburilor. 

Rezumatul activităților de cercetare

  • îmbunătățirea explorării Monte-Carlo pentru optimizarea globală a particulelor coloidale
  • optimizarea evaluării potențialelor corpului rigid pe GPU-uri
  • implementarea potențialelor dezvoltate în OPTIM
  • crearea unui algoritm pentru optimizarea globală însămânțată
  • optimizarea globală a cochiliilor de tip MnL2n
  • grafice de deconectare pentru grupuri de 24 și 30 de particule centrale care formează cochilii de diferite simetrii
  • confirmarea preliminară MD a auto-asamblării cochiliilor cu simetrii exotice
  • MD lung rulează pentru macroioni în apă explicită
  • lungile MD rulează pentru dimerii proteinelor SS-CCMV capsidă și pentamerii dimerilor

Un raport detaliat de progres poate fi descărcat de aici  (etapa 1) și de aici (etapa 2).