პროექტის დასახელება: 2011 წლის ფუნდამენტური კვლევებისათვის სახელმწიფო სამეცნიერო  საგრანტო კონკურსში გაიმარჯვა პროექტმა N 11/14 – “გლობულური ცილების ენერგეტიკული ბუნება: კვანტური ეფექტების და კონფორმაციული ფლექსიბილობის როლი და გამოვლინება ფუნქციასა და სტაბილობაში”, ივანე ბერიტაშვილის ექსპერიმენტული ბიომედიცინის ცენტრის პროფესორის დიმიტრი ხოშტარიას ხელმძღვანელობით (საგრანტო პროექტის თანამონაწილე ორგანიზაცია: ივ. ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი).

პროექტის  შედეგი და  ეფექტი: ამ პროექტის ფარგლებში ტარდებოდა, ერთის მხრივ,  კვლევისთვის ადრე აპრობირებული ობიექტების - გლობულური ცილების შემდგომი ჩაღრმავებული კვლევა როგორც ეხსპერიმენტული, ისე თეორიულ/კომპიუტერული მეთოდების და მიდგომების გამოყენებით; მეორეს მხრივ, დაიგეგმა და განხორციელდა სტრუქტურულად და ფუნქციურად სრულიად ან ნაწილობრივად განსხვავებული ჟანგვა-აღდგენითი ფუნქციის მქონე ცილების,, ასევე ბიომიმეტიკური სენსორული ობიექტის - თვითაწყობად ფირში „ჩაჭერილი“ სპილენძის იონების  მონაწილეობით ელექტრონული გადასვლების ჩაღრმავებული კვლევები. მიღებული შედეგები და მათი ეფექტი მოცემულია ქვევით, კვლევის ობიექტების მიხედვით:

(A) a-ქიმოტრიპსინის (a-CT) შემთხვევაში შესწავლილი იყო დუალისტური ბუნების ორგანული ნივთიერების, დიმეთილსულფოქსიდის (DMSO) დანამატების გავლენა ამ ცილა-ფერმენტის როგორც კატალიზურ აქტივობაზე, ისე თერმოდინამიკურ სტაბილობაზე, გარემოს pH-ის ორი განსხვავებული მნიშვნელობისას.  კვლევებმა დაადგინა a-CT-ზე DMSO-ს დანამატების ზეგავლენის რთული ბუნება, რომელიც გარემოს pH-ის 8.3 მნიშვნელობის დროს გამოვლინდა, ამ ნივთიერების ზემოქმედების დუალისტურ, დანამატის მცირე კონცენტრაციების პირობებში მასტაბილებელ, ხოლო შემდგომ - მადესტაბილებელ ხასიათში [1]. ასევე შესწავლილი იყო a-CT სტაბილობაზე ახალი ტიპის ორგანული - პროტონული მარილის, ქოლინ დიჰიდროგენ ფოსფატის ([ch][dhp]) დანამატების გავლენა; გამოვლენილ იქნა ცილის თერმოდინამიკური სტაბილიზაციის საგულისხმო ეფექტი [4].

(B) ქ. ერლანგენის (გერმანია) და პიტსბურგის (აშშ) უნივერსიტეტებთან უკვე ტრადიციული სამეცნიერო თანამშრომლობის ფარგლებში, ციკლური ვოლტამპერომეტრიის მეთოდით შესწავლილი იყო ელექტროდთან ელექტრონის მიმოცვლა რედოქს-აქტიური ცილის აზურინის (Az) მონაწილეობით. Az იმობილიზებული იყო Au-ელექტროდებზე დატანილ ალკანთიოლის ფირებზე. ექსპერიმენტული კვლევა ამჯერად ტარდებოდა [ch][dhp]-ის დანამატების მაღალი (90 წონით %-მდე) კონცენტრაციის პირობებში (ზებლანტ გარემოში), როდესაც ცილის გარემოცვაში დანამატის ერთ იონ-წყვოლზე მოდის წყლის მხოლოდ 1-2 მოლეკულა. ამ დანამატის კონცენტრაციის, ასევე გარემოს ტემპერატურის და წნევის ვარირების ხარჯზე, ელექტრონის მიმოცვლის პროცესის დინამიკური მახასიათებლები იცვლებოდა უაღრესად ფართო დიაპაზონში, რამაც მოგვცა საშუალება პირველად მეცნიერების ისტორიაში დაგვეფიქსირებინა შინაგანი ფიზიკური მექანიზმების ახალი ტიპის ურთიერთგარდასახვები ცილის და მისი გარემოს ფაქტობრივად მინისებურო მდგომარეობასთან მიახლოებულ პირობებში [2].

(C) ქ. ერლანგენის (გერმანია) უნივერსიტეტთან ერთობლივად, ციკლური ვოლტამპერომეტრიის მეთოდით ჩვენ ასევე შევისწავლეთ Au-ელექტროდზე დატანილ ალკათიოლის ფირებზე იმობილიზებული, ან თავისუფალი დიფუზიის რეჟიმში მყოფი მიოგლობინის (Mb) ელექტროდთან ელექტრონების მიმოცვლის ფიზიკური მექანიზმები. გარემოს ტემპერატურის და წნევის ვარირების პირობებში ჩატარებული სისტემატური კვლევების ხარჯზე დადგენილ იქნა, რომ ელექტროდებზე დატანილ ალკანთიოლურ ფირებთან Mb-ის ურთიერთქმედების სიძლიერე, ანუ Mb-ის მაკრომოლეკულის კონფორმაციული ძვრადობის (დინამიკის) ხარისხი არსებითად განაპირობებს Mb-ის ბიომოლეკულის მონაწილეობით მიმდინარე ელექტრონების მიმოცვლის პროცესების ფიზიკურ ბუნებას: ხისტად იმობილიზებული  Mb-ის შემთხვევაში ბიომოლეკულის კონფორმაციული ძვრადობის შეზღუდულობა ასევე ზღუდავს ელექტრონის გადასვლებთან შეუღლებული ლიგანდის (ამ შემთხვევში, წყლის მოლეკულის) გადაადგილებებს. შესაბამისად, ელექტრონის გადასვლა ხდება ადვილად და სწრაფად [3,7]. ხოლო, იმ შემთხვევაში, როდესაც Mb „თავისუფალია“, ე.წ. კოორდინირებული წყლის მოლეკულა აქტიურად მონაწილეობს პროცესში და, შესაბამისად, „ამუხრუჭებს“ ელექტრონების მიმოცვლის სიჩქარეს [3,7].

(D) ქ. გრინსბოროს (აშშ) უნივერსიტეტთან ერთობლივად, ციკლური ვოლტამპერომეტრიის მეთოდით აგრეთვე შესწავლილი იყო გრაფიტის (GC) ელექტროდებზე დატანილ, თავის მხრივ, პოლიმერების საშუალებით გააქტივებულ ნახშირბადის ნანომილაკებზე (CNT) იმობილიზებული ცილა-ფერმენტის, გლუკოზ ოქსიდაზის (GOx) ელექტრონული მიმოცვლა GC ელექტროდებთან. GOx-ის ბიოლოგიური ფუნქცია, საერთო ჯამში, უფრო რთულია, ვიდრე მხოლოდ ელექტრონენის გადატანა (მიმოცვლა). მისი ბუნებრივი სუბსტრატის, გლუკოზის არყოფნის შემთხვევაში, მისი აქტიური კო-ფაქტორი ფლავინ ადენინ დინუკლეოტიდი (FAD) მონაწილეობს ელექტროდთან ერთდროულად ორი პროტონის გადასვლებთან შეუღლებულ ორი ელექტრონის მიმოცვლის პროცესში. ჩვენმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ხდება გააქტივებული CNT-ბოლოების (ფაქტობრივად, ნანოელექტროდების) შეღწევა GOx-ის აქტიურ ცენტში და FAD-ის კო-ფაქტორთან უშუალო დაახლოება (Direct “Wiring”), ხოლო შემდგომ ხორციელდება რნიშნული შეუღლებული პროცესი [6].

(E) ასევე შესწავლილი იყო ბიომიმეტიკური ობიექტის - Au-ელექტროდზე დატანილ თვითაწყობად ფირში იმობილიზებული („ჩაჭერილი“) სპილენძის იონების მონაწილეობით ელექტროდთან ელექტრონული მიმოცვლის პროცესი, გარემოს ტემპერატურის და წნევის ვარირების პირობებში. კვლევებმა გამოავლინა ელექტრონის მიმოცვლის პროცესზე  „მინისებური“ გარემოს ძლიერი არაერგოტიკული და არაწრფივი გავლენისთვის დამახასიათებელი ეფექტები [5].

(D) ასევე განხორციელდა Mb-ის და ქრომოფორული ლიგანდის, პროფლავინის (Pf) კომპლექსის წინასწარი კვლევა კომპიუტერული მოდელირების მეთოდის გამოყენებით, ამ ორ ობიექტს შორის ელექტრონის ფოტოფიზიკური გადატანის შემდგომი ექსპერიმენტული კვლევების პირობების დადგენის მიზნით. წინასწარმა კვლევამ გამოავლინეს ზემოაღნიშნული კომპლექსის  გამოკვეთილი სტრუქტურა, რომელსაც კონფორმაციულ სივრცეში შეესაბამება კარგად გამოხატული ენერგეტიკული მინიმუმი [8].

საგრანტო პროექტის ფარგლებში მიღებული შედეგები, ორიგინალური სტატიების სახით, გამოქვეყნებულ იქნა 7 საერთაშორისო, რეფერირებად და რეცენზირებად, უმთავრესად მაღალრეიტინგულ სამეცნიერო ჟურნალებში:

1. Tretyakova, M. Shushanyan, T. Partskhaladze, M. Makharadze, R. van Eldik & D.E. Khoshtariya, Simplicity within the complexity: bilateral impact of DMSO on the functional and unfolding patterns of a-chymotrypsin. Biophysical Chem. (Elsevier B.V.), 2013, v.175, p.17-27.
2. Uchaneishvili, M. Makharadze, M. Shushanyan, R. van Eldik & D.E. Khoshtariya, Notable stabilization of α-chymotrypsin by the protic ionic additive, [ch][dhp]: Calorimetric evidence for a fine enthalpy/entropy balance. ISRN Biophysics (Hindawi Publishers), 2014, Article No. 834189 (6 p.)
3. E. Khoshtariya, T.D. Dolidze, T. Tretyakova, D.H. Waldeck and R. van Eldik, Electron transfer with azurin at Au/SAM junctions in contact with a protic ionic melt: Impact of glassy dynamics. Phys. Chem. Chem. Phys. (Royal Cemical Society, UK) 2013, v.15, p. 16515-16526.
4. E. Khoshtariya, T.D. Dolidze, M. Shushanyan, & R. van Eldik, Long-range electron transfer with myoglobin immobilized at Au/mixed-SAM junctions: Mechanistic impact of the strong protein confinement. J. Phys. Chem. B. (American Chemical Society, USA), 2014, v.118, p.692-706.
5. E. Khoshtariya, T.D. Dolidze, T. Tretyakova, & R. van Eldik, Electron transfer with self-assembled copper ions in Au-deposited biomimetic films: mechanistic ‘anomalies’ disclosed by temperature- and pressure-assisted fast-scan voltammetry. J. Phys. D: Appl. Phys. (IOP Publishing, UK), 2015, v.48, Article No. 513699, (11 p.).
6. Liu, T.D. Dolidze, S. Singhal, D.E. Khoshtariya, & J. Wei, New Evidence for A Quasi-Simultaneous Proton-Coupled Two-Electron Transfer and Direct Wiring for Glucose Oxidase Captured by The Carbon Nanotube-Polymer Matrix. J. Phys. Chem. C (American Chemical Society, USA), 2015, Submitted.
7. D. Dolidze, M. Shushanyan, & D.E. Khoshtariya, Electron transfer with myoglobin in free and strongly confined regimes: disclosing diverse mechanistic role of the Fe-coordinated water by temperature- and pressure-assisted voltammetric studies. J. Coord. Chem. (Taylor and Francis, UK), 2015, v.68, p.3164-3180.