Конкурс научных работ 2017 года

Развитие подходов
к решению обратной задачи спектроскопии PELDOR

Матвеева А.Г., Дзюба С.А., Марьясов А.Г., Сырямина В.Н.,
Некрасов В.М., Самойлова Р.И., Цветков, Ю.Д., 1Ищенко А.В.,
2Юшкова Ю.В., 2Морозов С.В., 2Григорьев И.А., 3De Zotti M.,
3Gobbo M., 3Toniolo C., 3Formaggio F.

Расшифровка авторов
1. Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.
2. Институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН
3. Department of Chemical Sciences, University of Padova, Padua, Italy

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Спектроскопия PELDOR (двойного электрон-электронного резонанса) в основном направлена на решение разнообразных структурных задач в системах, содержащих две и более спиновые метки. Актуальность усилий, направленных на улучшение различных аспектов применения спектроскопии PELDOR, обусловлена характерам решаемых с ее помощью задач. Действительно, диапазон расстояний, доступных для измерения, совпадает с характерным размером реакционных центров в различных биологических системах, но при этом спектроскопии PELDOR не имеет таких серьезных требований к жесткости структуры изучаемого объекта, как рентгеноструктурный анализ или спектроскопия ЯМР. На сегодняшний день существует несколько направлений, по которым достигаются видимые успехи в развитии метода.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В данной работе решалась задача развития подходов к решению обратной задачи спектроскопии PELDOR. Дело в том, что данная обратная задача принадлежит к классу неустойчивых задач. Имеющие на сегодняшний день подходы к ее решению не являются универсальными и имеют ряд серьезных ограничений. В связи с этим требуется разработка новых методов.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

Нами реализовано и продемонстрировано на различных примерах три новых подхода к решению рассматриваемой задачи. Это:
- поиск решения в виде дискретного набора точек методом Монте-Карло;
- поиск решения в виде суммы гауссовых функций с подбором параметров также методом Монте-Карло;
- использование аналитического решения обратной задачи, впервые полученного в данной работе.
Первый и третий подход полностью оригинальны, второй уже известен, но в других вариантах - подбор параметров гауссовых функций методом Монте-Карло применен впервые, и, на наш взгляд, является наиболее удачным из имеющихся.

4. Полученные результаты и их значимость.

Результатом нашей работы является значительное расширение арсенала методов решения обратной задачи спектроскопии PELDOR. Значимость этого результата состоит в том, что предлагаемые нами методы закрывают пробелы таких стандартных в данной области методов, как регуляризация Тихонова. В частности, проблемные случаи восстановления по экспериментальным данным бимодальных функций распределения по расстояниям между метками характерного вида «узкий пик на фоне широкого» успешно решаются во втором и третьем из предлагаемых нами новых подходов.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Результаты данной работы, безусловно, имеют мировой уровень и уже применяются в исследовательской деятельности другими научными группами. Например, в работе «Refining Spin–Spin Distance Distributions in Complex Biological Systems Using Multi-Gaussian Monte Carlo Analysis» Timofeev, I.O., Krumkacheva, O.A., Fedin, M.V. et al. Appl Magn Reson (2017). https://doi.org/10.1007/s00723-017-0965-y

6. Вклад авторского коллектива.

Вклад соавторов сторонних организаций в работу в целом крайне важен, но поскольку он состоит в создании изучаемых образцов, в формулировке темы «Развитие подходов к решению обратной задачи спектроскопии PELDOR», вклад сотрудников Института будет составлять основную часть.

Список публикаций.
  1. Syryamina, V.N., Samoilova, R.I., Tsvetkov, Y.D. et al. Peptides on the Surface: Spin-Label EPR and PELDOR Study of Adsorption of the Antimicrobial Peptides Trichogin GA IV and Ampullosporin A on the Silica Nanoparticles, Appl Magn Reson (2016) 47: 309. https://doi.org/10.1007/s00723-015-0745-5
  2. Sergei A.Dzuba, The determination of pair-distance distribution by double electron–electron resonance: regularization by the length of distance discretization with Monte Carlo calculations, Journal of Magnetic Resonance Volume 269, August 2016, Pages 113-119
  3. Matveeva, A., Yushkova, Y., Morozov, S., et al. (2016). Multi-Gaussian Monte Carlo Analysis of PELDOR Data in the Frequency Domain, Zeitschrift für Physikalische Chemie, 231(3), pp. 671-688. Retrieved 17 Nov. 2017, from doi:10.1515/zpch-2016-0830
  4. Anna G. Matveeva, Vyacheslav M. Nekrasov and Alexander G. Maryasov, Analytical solution of the PELDOR inverse problem using the integral Mellin transform, Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, DOI: 10.1039/C7CP04059H


© 2017 ИХКГ СО РАН, г. Новосибирск