Molekulinė biofizika ir cheminė fizika: dinaminiai vyksmai baltymuose, polimeruose ir organizuotose molekulinėse struktūrose

Mokslinių tyrimų pagrindimas ir tikslai

Vykdomų tyrimų tikslai nagrinėjant kondensuotąsias aplinkas, molekulinius tirpalus bei įvairias sudėtingas biologines sistemas gali būti suskirstyti į dvi kategorijas: nagrinėjamos sistemos struktūros tyrimai ir sistemos atliekamos funkcijos ar vykstančių sistemoje reakcijų tyrimai. Stuktūros tyrimai - tai iš esmės nuo laiko nepriklausanti įvairialypė informacija renkama apie sistemos struktūros ypatumus bei tolimesni šios surinktos informacijos apibendrinimai. Ilgą laiką fizikai, chemikai ir net biologai būtent čia ir buvo sukoncentravę savo dėmesį, norėdami nustatyti juos dominančių sistemų "struktūrą". Tačiau jokia sistema nėra tiksliai stacionarioje būsenoje, nes, veikiama įvairių išorinių jėgų, jos būsena nuolat kinta. Todėl buvo suprasta, jog nagrinėjant įvairias sistemas, pagrindinis tyrimų tikslas turėtų būti nukreiptas į tų sistemų dinaminius pokyčius, nes sistemai šuoliškai keičiant savo būseną, jos vykdoma funkcija visgi išlieka nepakitusi. Nagrinėjant dinaminius vyksmus paprastai yra tariama, jog sistemos struktūra yra žinoma. Tai tarsi patvirtina aukščiau minėtą tyrinėjimo tikslų susiskirstymo logiką, būtent akcentuojant atskirai struktūrinius arba dinaminius (funkcinius) sistemos tyrimus. Pagrindiniai mokslinės krypties tikslai yra šitokie:

• fotosintezės tyrimai;
• krūvininkų fotogeneracija ir rekombinacija organinėse sistemose;
• solvatacijos reiškiniai ir krūvio pernašos reakcijos;
• fotoindukuota protonų ir jonų pernaša baltymuose;
• molekulinių kristalų, plėvelių ir agregatų spektrinės savybės.

Dinaminiai reiškiniai yra nusakomi jų vyksmų laiko (ar greičio) skale. Šios skalės pasirinkimą iš esmės nulemia prietaisų skiriamoji geba. Pažymėtina, jog dėl labai ryškių ultrasparčiosios spektroskopijos techninių ir metodinių pasiekimų matavimų galimybės nepaprastai išsiplėtė būtent per pastarąjį dešimtmetį, kai buvo pradėtas labai įvairus šių metodų taikymas beveik visose gamtos mokslo srityse. Fleš-fotolizės metodas, išvystytas dar G. Porterio (G. Porter) bei R. Norišo (R. Norrish) beveik prieš 50 metų, ir M. Eigeno (M. Eigen) sukurti relaksacijos tyrimų metodai davė pradžią dinaminių vyksmų tyrimams. Sių tyrėjų darbai 1967 m. buvo įvertinti Nobelio premija. Fleš-fotolizės metodas leido matuoti dinaminius vyksmus su mikrosekundine skiriamąja geba. Šiuo metu mes gyvename femtosekundiniame (1fs = 10^-5s) laikmetyje. Tai elementarių cheminių reakcijų, o tiksliau sakant elektronų, branduolių ir atomų dinamikos molekulėse vyksmų skalė. Atrodytų, jog praktikoje stebimų cheminių reakcijų spartos yra sietinos su žymiai ilgesnėmis trukmėmis, tačiau toks požiūris yra akivaizdžiai nulemtas statistinių elementarių vyksmų suvidurkinimu. Jei, tarkime, atomas "bando" nutraukti savo ryšius molekulėje, tai iš tikro jis tai atlieka ne vienu bandymu, bet daugelį milijonų kartų bandydamas, kol jam tai "pavyksta". Pažymėtina, jog daugelis reakcijų vyksta tarsi nuosekli elementarių dinaminių vyksmų seka. Todėl, norėdami suprasti visos cheminės reakcijos visumą, turime gerai suvokti kiekvieno iš tų sudėtinių žingsnių, vykstančių, pasirodo, šimtų ar net dešimčių femtosekundžių laikų skalėje, detales. Šios srities pasiekimų mastą ir svarbą pagrindžia ir kelios pastarąjį dešimtmetį gautos Nobelio premijos, kurios buvo paskirtos R. Markusui (R. Marcus)
ir A. Zeveilui (A. Zewail).

Molekulinių darinių fizikos laboratorijoje vykdomi tyrimai

Fizikos instituto Molekulinių darinių fizikos laboratorijos vykdoma tematika yra tiesiogiai sietina su minėta mokslo sritimi. Biofizikinės pakraipos tyrimai, kurie buvo vykdomi laboratorijoje, yra sietini su pirminių reiškinių, vykstančių fotosintetinėse sistemose, nustatymu, bei protono pernašos mechanizmo bakteriorodopsine analize. Organinių junginių (nebiologinės kilmes) tyrimai yra sietini su pastangomis suvokti krūvininkų fotogeneracijos ir rekombinacijos molekuliniuose kristaluose bei fotopuslaidininkiniuose polimeruose mechanizmus, bei organinių junginių spektrinių savybių ypatumus. Pažymėtina, jog šie vykdomi tyrimai leidžia suvokti dabartinį šios mokslo srities pasaulinį lygj bei turimą supratimą pritaikyti kitose mokslo šakose, kur šie metodai dar nėra pakankamai panaudoti.

Tolimesni tyrimų tikslai

Turimos eksperimentinės galimybės bei vyksmų modeliavimo patirtis leidžia tikėtis, jog visa tai gali būti sėkmingai naudojama ir kitose mokslo srityse, tokiose, kaip biologija ir medicina. Tikimasi, jog tolimesni tyrimai molekuliniame lygyje bus nukreipti tokių procesų, kaip pvz., ATP-azės veikimo principų nustatymui bei kitų membranų baltymų vykdomų funkcijų tyrimams. Fizikiniu požiūriu visos biologinės prigimties sistemos yra labai sudėtingos, tad šių tyrimų tolimesnę raidą galima apibūdinti kaip kompleksinių sistemų fizikos mokslo vystymą, kuris būtinas šiuo metu besiformuojančiai nanobiotechnologijai. Rimtas dėmesys bus skiriamas konjuguotiesiems polimerams bei fotojautriems pigmentams, nes šios organinės sistemos yra itin perspektyvios oligomerų ir molekulinių darinių nanotechnologijoje ir tvarkių nanostruktūrų fotonikos tyrimams.

Taikymo perspektyvos

Numatomi tyrimai turi gana plačias taikymo perspektyvas. Pirmiausia, jie leidžia suprasti mechanizmus, kuriais remiantis yra paaiškinami biologinėse sistemose stebimi įvairūs efektai. Šis supratimas turi tiesioginį taikymą medicininėje diagnostikoje. Antra, įgautą patirtj yra numatoma pritaikyti konstruojant ir kuriant įvairius organinės kilmės jutiklius. Galiausiai, fotosintezės tyrimų patirtį tikimasi panaudoti, sprendžiant įvairias problemas, susijusias su saulės energetika ir organiniais šviesos diodais. Konjuguotųjų polimerų ir fotojautrių pigmentų tyrimai ne tik leistų išaiškinti sudėtingus elektromagnetinės spinduliuotės sąveikos su organine medžiaga procesus, laisvųjų krūvininkų fotogeneracijos ir rekombinacijos ypatumus, bet taip pat sudarytų realias prielaidas prognozuoti ir sintetinti naujus veiksmingus organinius fotopuslaidininkius ir sensibilizatorius, taikomus optoelektroninių prietaisų gamyboje.

Siūlomos paslaugos:

• organinių ir biologinės kilmės junginių sugerties, fluorescencijos ir fosforescencijos matavimai tirpaluose ir kietoje būsenoje;
• itin trumpai gyvuojančių tarpinių junginių bei būsenų įvertinimas įvairiuose objektuose, naudojant žadinimo-zondavimo metodą;
• sudėtingų kinetinių vyksmų teorinis modeliavimas ir algoritmų rengimas.