Gdańsk, 29 maja 2015 roku Recenzja rozprawy doktorskiej mgr Olgi

80-308 Gdańsk, ul. Wita Stwosza 63, tel. (+48 58) 52 35 111, fax (+48 58) 523 5012, e-mail: [email protected],
www.chem.ug.edu.pl
Prof. dr hab. inż. Jerzy Błażejowski
profesor zwyczajny
Gdańsk, 29 maja 2015 roku
Recenzja
rozprawy doktorskiej mgr Olgi A. Stasyuk zatytułowanej Effect of intermolecular interactions
on the π-electron structure and tautomerism of nucleobases przedstawionej Radzie Wydziału
Chemicznego Politechniki Warszawskiej celem uzyskania stopnia naukowego doktora nauk
chemicznych w dyscyplinie chemia
Rozprawa doktorska obejmuje wyniki badań – przeprowadzonych z wykorzystaniem
metod
obliczeniowych
–
dotyczących
struktury,
termodynamiki
i
właściwości
fizykochemicznych pirymidyny, puryny i imidazolu, wywodzących się od dwóch pierwszych
połączeń zasad nukleinowych (adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny) oraz kompleksów tychże
zasad z HF i F¯ (tworzonych z udziałem wiązań wodorowych obojętnych oraz powstałych z
stowarzyszonym przemieszczeniem ładunku), a także kationami metali (Li+, Na+, K+) – w
tym pełniącymi ważne role biologiczne (Na+, K+). Badania, w których wykorzystano metody
chemii kwantowej (głównie DFT z różnymi bazami funkcyjnymi), były ukierunkowane na: (i)
określenie struktury i trwałości rożnych form tautomerycznych analizowanych zasad
organicznych i tworzonych z ich udziałem kompleksów; (ii) określenie struktury elektronowej
badanych zasad organicznych (w stanie wolnym i po skompleksowaniu) drogą analizy
redystrybucji ładunku metodą NBO (Natural Bonding Orbital method) oraz na gruncie teorii
Badera (QTAIM – Bader’s Quantum Theory of Atoms in Molecules); (iii) określenie
charakterystyk elektronowych aromatyczności – HOMA (Harmonic Oscillator Model of
Aromacity), HOMED (Harmonic Oscillator Model of Elektron Delocalization); (iv)
określenie charakterystyk magnetycznych aromatyczności – NICS (Nucleus Independent
Chemical Shifts), w centrum pierścienia aromatycznego (NICS(0), 1Å powyżej centrum
NICS(1) oraz jako składowej tensora prostopadłej do płaszczyzny pierścienia aromatycznego
(NICS(1)zz); oraz (v) określenie (w niektórych przypadkach – tyminy) charakterystyk
numerycznych aromatyczności – indeksów wiązań Wiberga. Zgromadzone wyniki, w efekcie
przeprowadzonych na szeroką skalę badań, były analizowane pod kątem: względnej trwałości
różnych form tautomerycznych zasad organicznych, zmian strukturalnych będących efektem
funkcjonalizacji (obecności grup egzocyklicznych amino/imino lub karbonylo/hydroksylo)
oraz uczestnictwa zasad w oddziaływaniach międzycząsteczkowych, zmian w rozkładzie
gęstości elektronowej i aromatyczności wskutek funkcjonalizacji i kompleksowania, a także
znaczenia dla zrozumienia zachowania zasad nukleinowych wkomponowanych w złożone
struktury
kwasów
nukleinowych
w
układach
biologicznych.
Tematyka
rozprawy
wkomponowuje się w główny nurt badań współczesnej chemii i biochemii. W pełni spełnia
kanony nowoczesnych badań naukowych. W tym kontekście wybór tematyki rozprawy uznać
należy za trafny i wychodzący naprzeciw oczekiwaniom kierowanym pod adresem środowisk
naukowych.
Rozprawa doktorska, przygotowana pod okiem doświadczonych uczonych dr hab.
Haliny Szatyłowicz i prof. T.M. Krygowskiego, bazuje na 5 pracach oryginalnych
(opublikowanych (4) lub w druku (1)) oraz 1 pracy przeglądowej (kopie stanowią załączniki
rozprawy), które ukazały się w wysokiej i najwyższej rangi czasopismach o zasięgu
światowym z zakresu chemii (w nawiasach IF): Chem. Rev. (45,661) – 1, J. Org. Chem.
(4,638) – 1, Org. Biomol. Chem. (3.487) – 2, Struct. Chem. (1,900) – 1 i Croat. Chim. Acta
(0,667) – 1. Tekst rozprawy podzielony jest na 3 rozdziały: przegląd literaturowy,
metodologia oraz komentarz do serii publikacji (6). W rozdziale pierwszym zostały
omówione zagadnienia dotyczące tautomerii zasad nukleinowych, wiązań wodorowych w
układach biologicznych, umiejscowienia jonów metali w strukturach DNA i ich funkcji oraz
aromatyczności zasad nukleinowych. W rozdziale drugim zarysowane zostały techniki
obliczeniowe oraz wskazane metody określania deskryptorów strukturalnych, gęstości
elektronowej i aromatyczności. Rozdział trzeci obejmuje przegląd wyników zamieszczonych
w 6 wspomnianych powyżej publikacjach oraz ich dyskusję. Rozdziały 1-3 poprzedza
streszczenie rozprawy w języku angielskim i polskim, wykaz publikacji na których bazuje,
spis treści, lista skrótów oraz wprowadzenie, w którym zostały jasno wyartykułowane cele
badań. Zasadnicze osiągnięcia badań przedstawionych w rozprawie są przedstawione w
podsumowaniu. W tekście pisanym kandydatka odwołuje się do 222 pozycji najnowszej
literatury. Rozprawa została przygotowana zgodnie z obowiązującymi przepisami i
ukształtowaną przez lata tradycją.
2
Istotne odkrycia i osiągnięcia rozprawy doktorskiej scharakteryzowane są poniżej:
•
Znaczące poszerzenie i usystematyzowanie fundamentalnej wiedzy z zakresu tautomerii,
aromatyczności i zachowania zasad nukleinowych, ich prekursorów oraz kompleksów z
HF, F¯, Li+, Na+ i K+.
•
Wykazanie, że prekursory zasad nukleinowych (pirymidyna, puryna) oraz molekuła
stanowiąca fragment jednej z nich (imidazol) tworzą kompleksy z HF i F¯ wskutek
powstawania (odpowiednio) obojętnych i stowarzyszonych z przemieszczeniem ładunku
wiązań wodorowych z udziałem endocyklicznych atomów azotu. Wiązania obojętne są
słabsze od stowarzyszonych z przemieszczeniem ładunku. W obu przypadkach brak
istotnego wpływu na parametry aromatyczności.
•
Wykazanie, że stabilność tautomerów zasad nukleinowych nie zawsze koreluje z
parametrami aromatyczności – jak ma to miejsce w przypadku puryny, gdzie wraz ze
wzrostem stabilności tautomerów rosną wartości parametrów aromatyczności (HOMA i
NICS). Na aromatyczność zasad nukleinowych wpływ mają egzocykliczne grupy
funkcyjne. Grupy, w których obecne są wiązania podwójne (karbonylo, imino) powodują
π-elektronowa delokalizację i obniżenie wartości parametrów aromatyczności, zaś gdy
wiązanie jest pojedyncze (hydroksylo, amino) – nie. Wskazuje to, że aromatyczność zasad
nukleinowych zależy nie od liczby ale od budowy i charakteru elektronowego grup
funkcyjnych.
•
Wykazanie, że występowanie wewnątrzcząsteczkowych oddziaływań w tautomerach
zasad nukleinowych podnosi ich stabilność. Z drugiej strony – jak ma to miejsce w
przypadku tyminy – stabilność tautomerów nie idzie w parze z ich aromatycznością. Jest
to zachowanie niezgodne z regułą Hückla, która głosi, że im stabilniejszy tautomer tym
jego parametry aromatyczności wyższe.
•
Wykazanie, że zasady nukleinowe tworzą kompleksy z HF, F¯, Li+, Na+ i K+. Kompleksy
z udziałem obojętnych wiązań wodorowych (HF) są mniej stabilne od kompleksów, w
których występuje stowarzyszone z przemieszczeniem ładunku wiązanie wodorowe (w
obu przypadkach w wiązania te angażowane są zarówno endocykliczne atomy azotu, jak i
egzocykliczne atomy azotu lub tlenu). Kompleksy zasad nukleinowych z jonami metali,
powstające z udziałem jednego lub dwu (rozgałęzione) endo- lub egzocyklicznych
heteroatomów, są bardziej trwałe od kompleksów tworzonych przez wiązania wodorowe
(w przypadku oddziaływań rozgałęzionych trwalsze są te, które angażują dwa różne
heteroatomy – N i O). Tworzeniu kompleksów z metalami towarzyszą deformacje
3
struktury zasad nukleinowych. Analiza parametrów topologicznych wskazuje, że
oddziaływania w kompleksach z udziałem wiązań wodorowych są w znacznej mierze
kowalentne, a w kompleksach z metalami – niekowalentne.
•
Wykazanie, że oddziaływaniu zasad nukleinowych z wspomnianymi HF, F¯, Li+, Na+ i K+
towarzyszą zmiany geometrii cząsteczek oraz ich aromatyczności. Co się tyczy geometrii
stwierdza się, że grupa aminowa staje się bardziej piramidalna gdy uczestniczy w
oddziaływaniach, a płaska gdy pozostaje nieangażowana w oddziaływania – co można
tłumaczyć
efektem
rezonansu.
Parametry
aromatyczności
tautomerów
zasad
nukleinowych nie zmieniają się wiele wskutek uczestnictwa w oddziaływaniach, gdy są
one wysokie. Gdy parametry te są niskie, oddziaływania mogą znacząco zmieniać
parametry aromatyczności. Zmiany parametrów aromatyczności są na ogół większe w
przypadku
silniejszych
oddziaływań.
Sześcioczłonowy
układ
π-elektronowy
(pirymidynowy) w kompleksach z udziałem zasad purynowych podatny jest w większym
stopniu
na
perturbacje
wynikające
z
oddziaływań
międzycząsteczkowych
niż
pięcioczłonowy układ imidazolowy; zmiany w pierwszym układzie zwykle determinują te
dokonujące się w całym systemie purynowym.
•
Wykazanie, że niektóre wyznaczone parametry fizykochemiczne zasad nukleinowych
korelują z sobą – jak w przypadku energii i długości wiązań wodorowych, czy gęstości
elektronowej i odległości donor–akceptor w niekowalencyjnie związanych kompleksach –
co wskazuje na wzajemne powiązania różnych wielkości odzwierciedlających cechy
związków i ich zachowanie. Z drugiej strony, korelacja różnych indeksów aromatyczności
zasad nukleinowych jest jedynie jakościowa, co potwierdza tezę, że aromatyczność jest
pojęciem wieloaspektowym.
Ilość danych i informacji zgromadzonych w rozprawie jest ogromna, co świadczy o
dużym zaangażowaniu Doktorantki w realizację badań. Wyniki i ich analiza przedstawione są
szczegółowo w publikacjach, natomiast podsumowanie badań i wnioski – w rozprawie.
Rozprawa napisana jest starannie i klarownie. Trudno dostrzec nawet drobne niedopatrzenia.
Pojawiają się natomiast problemy dyskusyjne, które mogłyby być przedyskutowane w trakcie
obrony rozprawy doktorskiej. Sygnalizuję je poniżej.
•
Na stronie 28 (linia 4 od dołu) wyszczególnione są jony, między innymi Cr6+, mogące
indukować oksydacyjne uszkodzenia DNA; czy jony Cr6+ istnieją w fazie wodnej
(układach biologicznych)?
4
•
Na stronach 22 (u dołu) i 23 (u góry) rozważane jest istnienie wiązań wodorowych
C–H⋅⋅⋅heteroatom. Czy wiadomo coś na temat energetyki tych wiązań, w relacji do
energetyki klasycznych wiązań heteroatom–H⋅⋅⋅heteroatom? Jaką rolę mogą odgrywać
pierwsze z wyżej wymienionych wiązań w stabilizacji struktury przestrzennej
biomolekuł?
•
W rozprawie określono wartości parametru będącego stosunkiem gęstości potencjalnej do
kinetycznej energii elektronowej (strona 56 u góry). Czy można ostatniej z wyżej
wymienionych wielkości przepisać sens fizyczny?
•
Obliczenia były prowadzone dla izolowanych cząsteczek lub kompleksów, co oznacza, że
nie był uwzględniany czynnik entropowy – destabilizujący w przypadku ostatnich
indywiduów w temperaturach wyższych od 0 K. Czy i jak możnaby oszacować wielkość
członu entropowego i wkładu energii termicznej w temperaturze pokojowej (298 K). Czy
człon entropowy i termiczny jest do określenia (oszacowania) w przypadku
umiejscowienia cząsteczek lub kompleksów badanych w fazie ciekłej (na przykład
wodnej)?
•
W rozprawie nie analizowano oddziaływań z udziałem elektronów π. Czy takie
oddziaływania (N,O–H⋅⋅⋅π, π⋅⋅⋅π) są znane w przypadku zasad nukleinowych (na przykład
w krystalicznej fazie stałej)? Czy i jak dalece można je analizować wykorzystując
zaproponowane w rozprawie podejście (pytanie w nawiązaniu do końcowego fragmentu
wniosków)?
Podsumowując, rozprawa jest wartościowym zbiorem wiedzy na temat tautomerii,
termodynamiki i właściwości fizykochemicznych zasad nukleinowych, ich prekursorów oraz
kompleksów jednych i drugich z HF i F¯ (tworzonych w efekcie powstawania wiązań
wodorowych), a także kationami Li+, Na+ i K+ (tworzonych wskutek pojawiania się
oddziaływań
niekowalencyjnych).
Dostarcza
unikatowych
informacji
na
temat
aromatyczności pierścienia pirymidynowego, imidazolowego i purynowego w cząsteczkach:
(i) niepodstawionych; (ii) podstawionych grupami funkcyjnymi (nukleinowe zasady
pirymidynowe i purynowe) i (iii) wkomponowanych w wyżej wymienione połączenia
kompleksowe. Pokazuje trafność wyboru obliczeniowych metod badawczych. Sygnalizuje
możliwości wykorzystania uzyskanych wyników w badaniach zachowania makromolekuł –
kwasów nukleinowych – w których wymienione powyżej zasady występują. Zgromadzony w
rozprawie materiał dowodzi, że Doktorantka w pełni opanowała tajniki warsztatu naukowego
i jest przygotowana do samodzielnego projektowania i prowadzenia badań.
5
Biorąc powyższe przesłanki pod uwagę uważam, że przedłożona do oceny rozprawa
doktorska w pełni spełnia ustawowe (w świetle ustawy o stopniach naukowych i tytule
naukowych oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 roku (Dz. U. Nr
65 poz. 595, z późn. zm.), a także wydanych na jej podstawie rozporządzeń) oraz zwyczajowe
kryteria stawiane rozprawom doktorskim.
Wnoszę o dopuszczenie rozprawy do publicznej obrony.
Biorąc pod uwagę wysokie walory poznawcze rozprawy oraz fakt opublikowania jej w
bardzo dobrych i najwyższej rangi czasopismach o zasięgu światowym uważam, że zasługuje
ona na wyróżnienie. Rozprawa – w porównaniu z innymi pracami doktorskimi, które miałem
okazję recenzować – wyróżnia się:
•
oryginalnością i aktualnością tematyki
•
właściwym doborem obiektów zainteresowań
•
właściwym doborem metod badawczych
•
dogłębną i wszechstronną analizą i interpretacją wyników
•
opublikowaniem
wyników
w
bardzo
dobrych
i
najwyżej
notowanych
czasopismach.
Dane bibliometryczne mgr Olgi Stasyuk są następujące: liczba publikacji – 6, liczba cytowań
– 28 (bez autocytowań – 22), indeks Hirscha – 3 (za Web of Science na dzień pisania opinii).
Rozprawa doktorska i dorobek naukowy potwierdzają wybitne osiągnięcia Kandydatki do
stopnia naukowego doktora.
6