Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
1. Κωνσταντίνος Σιμσερίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ (επιβλέπων)
2. Σπυρίδων Γαρδέλης, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ (μέλος Tριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής)
3. Ιωάννης Λελίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ (μέλος Tριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής)
4. Βλάσιος Λυκοδήμος, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ
5. Νικόλαος Στεφάνου, Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ
6. Δημήτριος Φραντζεσκάκης, Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ
7. Rosa Di Felice, Professor, Physics and Astronomy and Quantitative and Computational Biology, University of Southern California, Los Angeles, USA
Περίληψη:
Τα νουκλεϊκά οξέα είναι σύνθετα βιολογικά μακρομόρια, αποτελούμενα από αλληλουχίες νουκλεοτιδίων και περιέχουν γενετική πληροφορία. Βρίσκονται στα κύτταρα όλων των έμβιων οργανισμών και είναι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA). Το DNA περιέχει τις γενετικές πληροφορίες που καθορίζουν τη βιολογική ανάπτυξη όλων των κυτταρικών μορφών ζωής και των περισσοτέρων ιών. Τα τελευταία χρόνια, το DNA και οι ιδιότητές του που σχετίζονται με τη μετακίνηση φορτίου κατά μήκος του, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον διαφόρων επιστημονικών κλάδων, από τις βιοεπιστήμες και τη φυσικοχημεία μέχρι τη νανοτεχνολογία. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του μορίου, έχουν προσανατολίσει την έρευνα στην κατεύθυνση της μεταβίβασης και μεταφοράς φορτίου σε πολυμερικά συστήματα. Τα ζεύγη βάσεων του DNA, καθώς και η αλληλουχία τους, δημιουργούν έναν π-δρόμο, λόγω της επικάλυψης των π μοριακών τροχιακών τους. Αυτή η επικάλυψη επιτρέπει τη μετακίνηση φορέων ηλεκτρικού φορτίου, οπών ή ηλεκτρονίων. Ο όρος μετακίνηση περιλαμβάνει τη μεταβίβαση και τη μεταφορά. Με τον όρο μεταβίβαση (transfer) περιγράφεται η μετακίνηση ενός φορέα από μια τοποθεσία όπου δημιουργείται ή εγχέεται αρχικά σε άλλες ευνοϊκότερες τοποθεσίες χωρίς τη μεσολάβηση κάποιου εξωτερικού παράγοντα όπως διαφορά δυναμικού ή βαθμίδα θερμοκρασίας. Ο όρος μεταφορά (transport) αναφέρεται στη μετακίνηση φορτίου λόγω εφαρμογής εξωτερικής διαφοράς δυναμικού μέσω ηλεκτροδίων ή κάποιας άλλης βαθμίδας (π.χ. θερμοκρασίας). Το DNA παρέχει τη δυνατότητα κατασκευής μιας μεγάλης ποικιλίας διαφορετικών πολυμερών, συνδυάζοντας τα διαφορετικά ζεύγη βάσεων (Αδενίνη-Θυμίνη, Γουανίνη-Κυτοσίνη) με διαφορετικούς τρόπους. Κατ' αυτό τον τρόπο είναι δυνατό να δημιουργηθούν κατ' επιθυμίαν ακολουθίες, κατάλληλες να επιτελέσουν μια συγκεκριμένη λειτουργία, και κατά συνέπεια προσφέρεται η δυνατότητα ρύθμισης των ιδιοτήτων μιας διάταξης. Επιπλέον, η μεταβίβαση φορτίου κατά μήκος του μορίου του DNA επιτελεί σημαντικό βιολογικό ρόλο, καθώς φαίνεται να σχετίζεται με την καρκινογένεση και τη μεταλλαξιγένεση, ενώ η μακράς εμβέλειας μεταβίβαση φαίνεται να συνδέεται με τις διαδικασίες καταστροφής και επιδιόρθωσης του DNA.
Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιχειρεί να αποτελέσει μια συστηματική θεωρητική μελέτη της ηλεκτρονικής δομής των νουκλεϊκών οξέων, των αζωτούχων βάσεων και παρομοίων οργανικών μορίων, καθώς και των ιδιοτήτων μεταβίβασης και μεταφοράς φορτίου στο DNA, όπως και να συμβάλει στην ανάπτυξη θεωρητικών εργαλείων για την ανίχνευση μεταλλάξεων. Για τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος του Γραμμικού Συνδυασμού των Ατομικών Τροχιακών (Linear Combination of Atomic Orbitals, LCAO) και το Πρότυπο της Ισχυρής Δέσμευσης (Tight Binding, TB). Η μέθοδος αυτή έχει το πλεονέκτημα της εύκολης και γρήγορης εφαρμογής σε μεγάλης έκτασης συστήματα, παρέχοντας αποτελέσματα προσαρμόσιμης ακρίβειας. Αυτές οι ιδιότητες της την καθιστούν κατάλληλη κυρίως για τη μελέτη μεγάλων συστημάτων, τα οποία επί του παρόντος δεν είναι διαχειρίσιμα με τις διαθέσιμες λεπτομερέστερες μεν, αλλά πολύ υψηλότερου υπολογιστικού κόστους, μεθόδους από πρώτες αρχές (ab-initio).
Αρχικά, μελετήθηκε η ηλεκτρονική δομή των βάσεων των νουκλεϊκών οξέων και παρόμοιων μορίων με τη μέθοδο LCAO. Στους υπολογισμούς συμπεριελήφθησαν όλα τα ατομικά τροχιακά σθένους και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αντίστοιχα υπολογισμών που λαμβάνουν υπόψη μόνο τα 2pz ατομικά τροχιακά, υπολογισμών από πρώτες αρχές, καθώς και με πειραματικές τιμές των ενεργειών ιονισμού και διέγερσης. Επιπλέον, υπολογίστηκαν οι αντίστοιχες τιμές για τα ζεύγη βάσεων (Αδενίνη-Θυμίνη, Γουανίνη-Κυτοσίνη).
Ακολούθως, μελετήθηκε η μεταβίβαση φορτίου (charge transfer) σε διάφορα πολυμερή τμήματα DNA. Το Πρότυπο Σύρματος (Wire Model) της TB Μεθόδου εφαρμόζεται στην περιγραφή της μεταβίβασης φορτίου στο B-DNA σε επίπεδο ζευγών βάσεων. Εξετάστηκε η συμπεριφορά ενός επιπλέον φορέα αφού τοποθετηθεί σε ένα μονομερές, δηλαδή σε ένα ζεύγος βάσεων, και μελετήθηκε η μετακίνησή του σε όλο το μήκος του πολυμερούς. Αρχικά, υπολογίστηκαν οι παράμετροι μεταβίβασης (επιτόπιες ενέργειες και ολοκληρώματα αλληλεπίδρασης) χρήσει της παραμετροποίησης η οποία μεταχειρίζεται όλα τα ατομικά τροχιακά σθένους. Έχοντας το πλήρες σύνολο των απαιτούμενων για τη χρήση της μεθόδου ΤΒ παραμέτρων, μελετήθηκαν περιοδικές ακολουθίες DNA με αυξανόμενη μονάδα επανάληψης, οι οποίες αποτελούνται είτε από το ίδιο (κατηγορία I από το «Identical», π.χ. GC…, GGCC… κ.ο.κ.) είτε από διαφορετικά (κατηγορία D από το «Different», π.χ. GA…, GGAA…, κ.ο.κ.) ζεύγη βάσεων. Υπολογίστηκαν φυσικά μεγέθη όπως: το ενεργειακό φάσμα, η πυκνότητα καταστάσεων, η μέση πιθανότητα εύρεσης του φορέα σε κάθε μονομερές, το συχνοτικό περιεχόμενο και ο καθαρός μέσος ρυθμός μεταβίβασης. Για τα I πολυμερή, με την αύξηση της μονάδας επανάληψης, όλες οι μελετώμενες ποσότητες προσεγγίζουν τις αντίστοιχες των ομοπολυμερών (π.χ. G…), ενώ για τα D πολυμερή οι αντίστοιχες ποσότητες προσεγγίζουν την ένωση των δύο πιθανών ομοπολυμερών (π.χ. G… και A…). Τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά μεγέθη μελετήθηκαν και για την περίπτωση ορισμένων οιονεί περιοδικών (Fibonacci, Thue-Morse, Double-Period, Rudin-Shapiro) και μορφοκλασματικών (Cantor Dust, Asymmetric Cantor Set) ακολουθιών. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα για τα περιοδικά και τα απεριοδικά πολυμερή, διαπιστώνουμε ότι η μεταβίβαση φορτίου ευνοείται σε γενικές γραμμές στα περιοδικά συστήματα. Πάντως, τα ομοπολυμερή, τα οποία είναι και τα απλούστερα δομικά πολυμερή, αποτελούν άνω όριο για όλες τις κατηγορίες πολυμερών, παρουσιάζουν δηλαδή ευκολότερη μεταβίβαση. H παραπάνω ανάλυση εφαρμόστηκε και για τον υπολογισμό των μέσων ρυθμών μεταβίβασης ορισμένων ακολουθιών οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί σε πειράματα.
Διερευνήθηκε, επιπλέον, η επίδραση της δομικής μεταβλητότητας στην ηλεκτρονική δομή και στην ικανότητα μεταβίβασης φορτίου κατά μήκος του DNA. Για τη διερεύνηση αυτή επιστρατεύτηκαν 10 διμερή Αδενίνη-Θυμίνη/Αδενίνη-Θυμίνη και άλλα 10 Γουανίνη-Κυτοσύνη/Γουανίνη-Κυτοσύνη, τα οποία εξήχθησαν αφού εφαρμόστηκε η μέθοδος της Μοριακής Δυναμικής σε ένα 20μερές. Για τα συστήματα αυτά υπολογίστηκαν διάφορες παράμετροι (όπως το μέγιστο ποσοστό μεταβίβασης και τα ολοκληρώματα μεταβίβασης), σχετιζόμενες με δομικές παραμέτρους. Σε γενικές γραμμές, η μεταβίβαση φορτίου παραμένει ισχυρή, παρότι επηρεάζεται από τη δομική μεταβλητότητα. Επιπλέον, περιλαμβάνεται σύγκριση ορισμένων αποτελεσμάτων που προκύπτουν με χρήση του Προτύπου Ισχυρής Δέσμευσης, με λεπτομερέστερες μεθόδους από πρώτες αρχές. Το Πρότυπο Ισχυρής Δέσμευσης μπορεί να δώσει μια γρήγορη εκτίμηση των προς μελέτη ποσοτήτων.
Τέλος, παρουσιάζεται συνοπτικά η μέθοδος των Πινάκων Μεταβίβασης (Transfer Matrix Method) η οποία εφαρμόστηκε για τη μελέτη της ηλεκτρονικής δομής και της μεταφοράς φορτίου κατά μήκος ακολουθιών DNA που αφορούν περιπτώσεις: α) σημειακών μεταλλάξεων και β) μεταλλάξεων που προέρχονται από επανάληψη της τριπλέτας (CAG). Οι μεταλλάξεις της δεύτερης κατηγορίας ονομάζονται μεταλλάξεις Short Tandem Repeat (STR) expansions και στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν εξ αυτών οι: νόσος Huntington, νόσος Kennedy, νωτιαία παρεγκεφαλιδική αταξία 6 και 7. Μελετήθηκαν τόσο περιπτώσεις ιδανικών πολυμερών, όσο και φυσικών. Εδώ ο όρος «ιδανικό» αναφέρεται σε ιδανική γεωμετρία, ενώ ο όρος «φυσικό» αναφέρεται σε γεωμετρία συλλεγμένη από βάσεις δεδομένων αλληλουχιών οι οποίες προέρχονται από οργανισμούς. Το πιο χρήσιμο χαρακτηριστικό στη μελέτη της μεταφοράς φορτίου είναι οι χαρακτηριστικές καμπύλες I-V . Κατά την εισαγωγή μεταλλάξεων, οι καμπύλες αυτές αλλάζουν σημαντικά. Για το λόγο αυτό, ορίστηκε ένα νέο μέγεθος που περιγράφει την κανονικοποιημένη απόκλιση της I-V από την αρχή των αξόνων (normalized deviation of the I-V curve from the origin, NDIV). Ένα βασικό συμπέρασμα που εξάγεται είναι ότι η NDIV γενικά δεν επηρεάζεται από τη θέση μιας σημειακής μετάλλαξης, αλλά επηρεάζεται από τον αριθμό των σημειακών μεταλλάξεων καθώς και από τον αριθμό των STR επαναλήψεων. Σε γενικές γραμμές, θα μπορούσαμε να πούμε ότι στο μέλλον, η μελέτη της μεταφοράς φορτίου δύναται να αποτελέσει ένα νέο εργαλείο για την ανίχνευση μεταλλάξεων.
