Grupul TOPO CLUJ, Romania



Adresa: Arany Janos nr. 11, Cluj-Napoca, Romania



Domenii de activitate:

1. Topologie moleculara

Teoria grafurilor aplicata īn studiul structurilor moleculare se constituie ca ramura interdisciplinara numita Topologie Moleculara. Folosind instrumente din teoria grafurilor, teoria multimilor si statistica, Topologia Moleculara urmareste identificarea, din studii comparate asupra unui set de molecule, a factorilor structurali implicati īn relatia structura proprietate/ activitate biologica. Partitionarea unor proprietati moleculare si exprimarea lor prin modele aditive, cu ajutorul descriptorilor moleculari si a analizei de regresie reprezinta unul din obiectivele topologiei moleculare. Caracterizarea topologica a structurilor chimice permite ordonarea acestora dupa criterii de similaritate, ca si modelarea de noi structuri, cu proprietati dorite. In cele ce urmeaza sunt date cateva detalii.



Matrici topologice

Un graf molecular poate fi reprezentat prin: o secventa de numere, un polinom, un singur numar sau o matrice. Aceste reprezentari se doresc a fi unice, pentru o structura data.


Principalele tipuri de descriptori matriciali studiati de grupul TOPO CLUJ sunt:


  1. Matricea de adiacenta
  2. Matricea distanta topologica
  3. Matricea detur
  4. Matricea distanta metrica
  5. Matricea combinatoriala
  6. Matricea Wiener
  7. Matricea Szeged
  8. Matricea Cluj
  9. Matricea distanta - extinsa
  10. Matricea reciproca
  11. Matricea drumurilor
  12. Matrice strat


Indici topologici

Un numar care reprezinta o structura chimica, īn termeni graf-teoretici, se numeste descriptor topologic. Fiind un invariant structural, el nu depinde de numerotarea atomilor ori de reprezentarea pictoriala a grafului molecular. Cu toata pierderea considerabila de informatie prin "proiectarea" ca singur numar a structurii, astfel de invarianti si-au gasit largi aplicatii īn corelarea si prezicerea unor proprietati moleculare si de asemenea īn testele de similaritate si izomorfism.

Cand un descriptor topologic se coreleaza cu o proprietate moleculara el poate fi numit indice molecular ori indice topologic (IT).


Principalii indici topologici studiati de TOPO GROUP CLUJ sunt:

  1. Indici bazati pe matricea de adiacenta
  2. Indici bazati pe matricea Wiener, distanta si detur
  3. Indici bazati pe matricea reciproca distantei si deturului
  4. Indici bazati pe combinatii de matrici
  5. Indici bazati pe ordinul de legatura topologic
  6. Indici bazati pe matrici strat
  7. Indici informationali
  8. Indici Szeged
  9. Indici Cluj
  10. Indici de proprietate Cluj Fragmental
  11. Alti indici topologici


Simetrie si similaritate

Cunoasterea structurii moleculare implica cercetarea constitutiei (a numarului si identitatii chimice a atomilor si legaturilor dintre ei) si a configuratiei sale īn spatiul tridimensional.

Moleculele prezinta diferite tipuri de simetrie. Simetria moleculelor se reflecta īntr-o serie de proprietati moleculare, cum sunt momentele dipolare, vibratiile IR, semnalele 13C-RMN etc., mai puternic influentate de structura lor spažiala. Topologia moleculara ofera un nou concept de simetrie, diferit de cel cunoscut din geometria tridimensionala: SIMETRIE TOPOLOGICA. Aceasta se defineste pe conectivitate, ca principiu constitutiv fundamental al moleculalor, cu ajutorul formalismului teoriei grupurilor si modeleaza un spatiu N-dimensional.

SIMILARITATEA moleculara exprima trasaturile comune care apar intr-o multime de molecule. Atat simetria cat si similaritatea furnizeaza clase de echivalenta: prima la nivel intramolecular iar a doua printre membrii unui intreg set de molecule. Cele doua notiuni sunt inrudite.

Principalele aspecte studiate de TOPO GROUP CLUJ sunt:

  1. Simetrie topologica - algoritmul MOLORD
  2. Ordonarea intramoleculara
  3. Similaritate moleculara - programul SIMILCLUJ
  4. Ordonare intermoleculara
  5. Complexitate moleculara
  6. Structuri inalt simetrice



Modelarea proprietatilor: QSPR (Quantitative Structure -Proprety Relationship) / QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship)

Proiectarea unor structuri moleculare cu proprietati fizico-chimice ori biologice dorite este unul din dezideratele majore ale topologiei moleculare.

Este posibila modelarea unor noi structuri moleculare cu proprietati dorite (studii QSPR). Aplicatia cea mai importanta a acestor modelari este "designul" de noi medicamente (studii QSAR). Descoperirea de noi medicamente este in principal legata de sansa si/sau sortarea masiva a unor vaste biblioteci de compusi naturali sau sintetici. Prin contrast, "computer-aided drug design",CADD, este o modalitate de a proiecta medicamente in mod rational,stimulata de recenta dezvoltare a chimiei computationale (teoria grafurilor moleculare, chimia cuantica, mecanica moleculara, dinamica moleculara, cautarea in biblioteci) si, desigur, a informaticii. Multe proprietati fizico-chimice pot fi corelate satisfacator cu proprietati topostructurale si topochimice. Indicii topologici sunt printre cei mai simpli si eficienti descriptori pentru QSPR/QSAR. In principiu, acestia sunt obiecte matematice, fara o semnificatie fizica precisa. Oricum, ei pot sa exprime configuratia topologica sau se pot corela cu volumul molecular, aria suprafetei moleculare, caldura de formare, polarizabilitatea, refractia molara, etc.

Grupul TOPO CLUJ a realizat studii QSPR si QSAR cu ajutorul descriptorilor de proprietate CLUJ, calculati de programul TOPOCLUJ.



2. Modelare moleculara


Fullerene sferice

Chimia fullerenelor este in zilele noastre un domeniu bine stabilit prin cercetari teoretice si experimentale. Fascinanta atractie initiala, datorata frumusetii simetriei lor, s-a transformat mai tarziu in chimie reala. Alotropii carbonului cu structuri de custi moleculare finite au fost functionalizati sau introdusi in structuri supra-moleculare.




[60] Fullerena

Grupul TOPO CLUJ studiaza operatii pe mape, utile in intelegerea reactiilor de izomerizare a fullerenelor. Fulleroidele periodice (vezi figura) reprezinta unul dintre domeniile originale de cercetare.




CN(k6k(56)k7k-Z[2k,1]-r)   ; k=5, r=4



Nanostructuri tubulare

Grupul TOPO CLUJ studiaza din punct de vedere teoretic nanostructuri cilindrice cu diferite tipuri de acoperiri.




TU(6,3)Z[20,30]

O procedura noua, originala, pentru generarea structurilor nanotubulare "in silico" s-a realizat cu pachetul soft TORUS.




Structura PCorS a A[20,7]/A[10,5] POP-DWT



Fullerene toroidale

Deoarece o suprafata sferica nu poate fi acoperita doar cu hexagoane, oamenii de stiinta au cautat suprafete care permit o astfel de acoperire, cum sunt cilindrii (nanotuburi) si torii, ambele identificate in produsele de condensare a grafitului vaporizat. Conform relatiei lui Euler: v - e + f = 2 - 2g (v, e, f, g fiind respectiv numarul varfurilor, numarul legaturilor, numarul fetelor si genul - un tor are genul 1 in timp ce o sfera sau un cilindru are genul 0).

Grupul TOPO CLUJ a conceput programul TORUS pentru generarea nanostructurilor tubulare si toroidale.







Colaborari:
       Lista colaborarilor




Imagini cu noi: