Publikacja użytkownika WCSS w Nature Chemistry

Dr Przemysław Dopieralski z Uniwersytetu Wrocławskiego, wraz ze współpracownikami z Ruhr-Universität Bochum, opublikował w czasopiśmie naukowym Nature Chemistry (IF 20.524) pracę “The Janus-faced role of external forces in mechanochemical disulfide bond cleavage”, w której wykorzystane zostały wyniki obliczeń prowadzonych w WCSS. Pracę opublikowano 16 czerwca 2013 r. w trybie Advance Online Publication (AOP):

P. Dopieralski, J. Ribas–Arino, P. Anjukandi, M. Krupicka, J. Kiss, D. Marx: “The Janus-faced role of external forces in mechanochemical disulfide bond cleavage”. Nat. Chem. 2013 (Advance Online Publication - AOP), doi: 10.1038/nchem.1676.

Pomiary przy użyciu mikroskopu sił atomowych – AFM – ujawniły zadziwiający i niespodziewany efekt, a mianowicie że mechaniczna siła rozciągająca reguluje reaktywność (substytucja nukleofilowa na siarce) mostka disiarczkowego w proteinie, a przy kluczowej sile rozciągającej – około 0.5 nN – szybkość reakcji jest znacząco spowolniona i tylko nieznacznie wzrasta aż do siły rzędu 2.0 nN, powodując powstanie dwóch zakresów różnej reaktywności. Jak postulowali autorzy, za te dwa reżimy mogą być odpowiedzialne dwie różne reakcje – co z kolei może oznaczać, że za pomocą subtelnych sił możemy ingerować nie tylko w szybkość reakcji chemicznych, jak przewidywały wcześniejsze modele, ale również w ich mechanizm.

Na podstawie zaawansowanych symulacji dynamiką molekularną ab initio sprzężonej z metodami do badań reakcji chemicznych, autorzy przebadali reaktywność mostka disiarczkowego na modelowym układzie (disiarczek dietylu) w obecności wody oraz nukleofila OH^-. Pokazali, że za obserwowalne eksperymentalnie dwa różne reżimy reaktywności odpowiedzialna jest jedna i ta sama reakcja – substytucja nukleofilowa na siarce. Jednakże, szybkość tej reakcji jest modulowana poprzez zewnętrzną mechaniczną siłę, która w ten sposób pokazuje swoją druga twarz (rysunek) prowadząc do przeciwstawnych efektów. Z jednej strony, siła wykonuje pracę na systemie, co znacząco przyspiesza reakcję, z drugiej zaś strony, ta sama siła powoduje zakłócenie możliwych konformacji kąta dwuściennego S-S-C-C, który to stopniowo zamyka stożek reakcji powodując powstanie zawady przestrzennej – utrudniającej dostanie się nukleofila do siarki.

Odkrycie indukowanej zewnętrzną siłą zmiany konformacyjnej, która reguluje reaktywność chemiczną, przedstawia nową kluczową koncepcję istotną poza badanym przez autorów konkretnym przypadkiem. Koncepcja ta jest ważna przy zrozumieniu, jak "przełączniki disiarczkowe'' regulują funkcje wielu białek.

Podziękowanie

W tym miejscu autorzy pragną podziękować za olbrzymią ilość czasu komputerowego i profesjonalne wsparcie udzielone między innymi przez Wrocławskie Centrum Sieciowo-Superkomputerowe, bez którego realizacja opisanego powyżej projektu byłaby niemożliwą.