dr hab. Krzysztof Ejsmont Opole, r. Katedra Krystalografii RECENZJA

Transkrypt

1 WYDZIAŁ CHEMII ul. Oleska 48, Opole Tel Faks dr hab. Krzysztof Ejsmont Opole, r. Katedra Krystalografii RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr Olgi A. Stasyuk Effect of intermolecular interactions on the π-electron structure and tautomerism of nucleobases Wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych na strukturę π-elektronową i tautomeryzację zasad kwasów nukleinowych wykonanej pod kierunkiem: dr hab. inŝ. Haliny Szatyłowicz oraz prof. dr hab. Tadeusza M. Krygowskiego Oddziaływania międzycząsteczkowe stanowią odrębną niŝ wiązania chemiczne, ale równie waŝną, grupę interakcji pomiędzy atomami, jonami i cząsteczkami. Do oddziaływań tych zalicza się między innymi wiązania wodorowe, oddziaływania pomiędzy dipolami, van der Waalsa oraz dyspersyjne, zwane teŝ siłami dyspersyjnymi Londona. Energia i charakter tych oddziaływań w przypadku gazów stanowi o skali ich odstępstwa od doskonałości, natomiast w przypadku cieczy decyduje w znacznej mierze o ich właściwościach fizycznych takich jak: ciepło parowania, napięcie powierzchniowe, lepkość. Szczególnie istotną rolę oddziaływania międzycząsteczkowe odgrywają w kryształach molekularnych, gdzie są głównym czynnikiem decydującym o ich budowie wewnętrznej. Ponadto naleŝy dodać, iŝ oddziaływania te stanowią główną siłę napędową wielu procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych, dlatego teŝ są one obiektem 1

2 zainteresowania badaczy z wielu obszarów i dziedzin nauki. Recenzowana przeze mnie rozprawa doktorska równieŝ wpisuje się w nurt tychŝe badań, poniewaŝ podejmuje próbę znalezienia odpowiedzi na pytanie, jak oddziaływania międzycząsteczkowe wpływają na strukturę π-elektronową oraz tautomeryzację zasad kwasów nukleinowych. Praca doktorska mgr Olgi Stasyuk napisana jest w języku angielskim i stanowi spójny tematycznie zbiór pięciu artykułów opublikowanych w czasopismach naukowych i jednego przyjętego do druku, co jest zgodne z Ustawą z dnia 18 marca 2011 r opublikowaną w Dzienniku Ustaw nr 84, art. 13, ust. 2. Praca liczy 171 stron, z czego 46 stron stanowi przewodnik do artykułów naukowych stanowiących podstawę rozprawy doktorskiej. Po tej części pracy Autorka zamieszcza wspomniane wcześniej artykuły naukowe, co stanowi kolejne 92 strony. Pracę zamyka bibliografia obejmująca 222 pozycje literaturowe tematycznie związane z tematyką rozprawy doktorskiej oraz oświadczenia współautorów o ich udziale w artykułach naukowych. W pracy znajduje się równieŝ streszczenie w języku polskim i angielskim oraz spis akronimów i skrótów. Oceniam bardzo wysoko formę, konstrukcję i strukturę recenzowanej pracy doktorskiej. Poszukując odpowiedzi na pytanie, jak oddziaływania międzycząsteczkowe wpływają na strukturę π-elektronową oraz tautomeryzację zasad kwasów nukleinowych, Autorka wyznaczyła sobie do realizacji trzy główne cele: (i) zbadanie stabilności i aromatyczności poszczególnych tautomerów zasad DNA, zwracając szczególną uwagę na rolę grup funkcyjnych dołączonych do pierścieni aromatycznych; (ii) przeprowadzenie systematycznych badań oddziaływań niekowalencyjnych dla najtrwalszych tautomerów puryny i pirymidyny oraz (iii) przeanalizowanie zmian właściwości elektronowych i struktury zasad DNA indukowanych tworzeniem wiązań wodorowych oraz oddziaływaniem z kationami metali alkalicznych. Jako główne narzędzia badawcze Autorka wybrała: (i) obliczenia kwantowomechaniczne przy zastosowaniu głównie teorii funkcjonału gęstości (DFT, ang. density functional theory) stosując funkcjonał B3LYP z bazami G(d,p) i G(2d,2p); (ii) ilościowe indeksy aromatyczności oparte o kryteria 2

3 geometryczne (HOMA, HOMED, sumę indeksów Wiberga) i magnetyczne [NICS(0), NICS(1), NICS(1)zz]. Energię oddziaływań międzycząsteczkowych Autorka wyznaczała stosując model supramolekularny z uwzględnieniem błędu superpozycji bazy. Dodatkowo, do analizy tych oddziaływań stosowała parametry teorii Badera AIM (ang. Atoms in Molecules) takie jak: gęstość elektronowa w punkcie krytycznym wiązania chemicznego i jej laplasjan, całkowita gęstość energii elektronowej oraz jej dwie składowe: gęstość energii potencjalnej i gęstość energii kinetycznej, a dla układów aromatycznych dodatkowo - punkt krytyczny pierścienia. Ładunki atomów Autorka wyliczała w oparciu o wspomnianą wcześniej teorię AIM oraz NBO (ang. Natural Bond Orbital). NaleŜy w tym miejscu podkreślić właściwy dobór narzędzi badawczych, dzięki którym, według mojej opinii, wytyczone cele zostały osiągnięte a uzyskane wyniki zostały opublikowane w renomowanych czasopismach naukowych z wysokim i bardzo wysokim IF. Przewodnik do tych artykułów składa się z pięciu rozdziałów obejmujących kolejno: wprowadzenie i cele pracy, przegląd literaturowy, metodykę badawczą, komentarz do serii artkułów oraz wnioski. W pierwszej części komentarza Autorka skoncentrowała się na opisie struktury elektronowej układów nieoddziałujących, zwracając szczególną uwagę na rolę róŝnych grup funkcyjnych dołączonych do pierścieni aromatycznych. W drugiej części przedstawiła wyniki badań wpływu takich czynników, jak tworzenie wiązań wodorowych oraz oddziaływania z kationami metali alkalicznych na strukturę elektronową zasad DNA. Do tej analizy wybrała trzy rodzaje układów modelowych zawierających: (i) wiązanie wodorowe z fluorowodorem; (ii) wiązanie wodorowe z anionem fluorkowym; (iii) kompleksy z kationami litu, sodu i potasu. Autorka w swojej pracy doktorskiej zgromadziła wiele oryginalnych wyników badań, które pozwoliły na sformułowanie wartościowych wniosków, umoŝliwiających zrozumienie wpływu oddziaływań międzycząsteczkowych na strukturę π-elektronową i tautomeryzację zasad kwasów nukleinowych. Wnioski te wnoszą istotny wkład w rozwój strukturalnej chemii organicznej. Ponadto Autorka wykazała się duŝą wiedzą z zakresu chemii teoretycznej i obliczeniowej. 3

4 Do najciekawszych i najwaŝniejszych osiągnięć uzyskanych przez Autorkę zaliczam następujące ustalenia i wnioski: (i) najbardziej stabilne tautomery adeniny, guaniny tyminy i cytozyny nie zawsze są najbardziej aromatyczne, podczas gdy dla tautomerów puryny wzrost trwałości wiąŝe się ze wzrostem jej aromatyczności; (ii) obecność w zasadach DNA grup egzocyklicznych amino/imino oraz karbonyl/hydroksyl, wpływa w istotny sposób na trwałość poszczególnych tautomerów i ich strukturę π-elektronową; przy czym aromatyczność zasad DNA zaleŝy w większym stopniu od rodzaju tych grup i ich charakteru elektronowego, niŝ od ich liczby; ponadto grupy funkcyjne połączone z pierścieniem poprzez wiązanie podwójne (grupy iminowe i karbonylowe) powodują znaczne obniŝenie aromatyczności zasad DNA w porównaniu do układów niepodstawionych; (iii) na zmiany aromatyczności zasad DNA w zauwaŝalny sposób wpływają równieŝ wiązania wodorowe z przyniesieniem ładunku oraz oddziaływania z kationami metali alkalicznych, przy czym ich wpływ uzaleŝniony jest od promienia jonowego kationu; natomiast wiązania wodorowe, w których atomy donorowe i akceptorowe nie są obdarzone ładunkiem, nie mają znaczącego wpływu na strukturę π-elektronową zasad DNA; (iv) tautomery puryny o największej aromatyczności, stawiają większy opór oddziaływaniom międzycząsteczkowym indukującym zmiany ich aromatyczności, podczas gdy tautomery o niŝszej aromatyczności są bardziej podatne na wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych, które mogą zmieniać ich aromatyczność nawet o ¼ skali wartości indeksu HOMA; ponadto sześcioczłonowe pierścienie puryny wykazują większą podatność na zmiany indukowane przez oddziaływania międzycząsteczkowe, niŝ pierścienie pięcioczłonowe tworzące układ purynowy. Pragnę podkreślić, iŝ interpretacja wyników prezentowanych przez Autorkę jest w pełni wyczerpująca i poprawna, stąd teŝ nie wnoszę Ŝadnych uwag krytycznych. Wyniki te stanowią istotny wkład w zasoby wiedzy o zasadach kwasów nukleinowych, o czym świadczyć mogą dane (z dnia ) zaczerpnięte z bazy Scopus; otóŝ cztery z artykułów będących podstawą niniejszej rozprawy doktorskiej były juŝ cytowane w sumie 28 razy w przeciągu ostatnich 4

5 trzech lat. Na podstawie oświadczeń współautorów naleŝy wnioskować, Ŝe we wszystkich sześciu artykułach naukowych stanowiących podstawę rozprawy doktorskiej Autorka odebrała wiodącą rolę w ich powstaniu. NaleŜy równieŝ podkreślić wysoki kunszt i umiejętności edytorskie autorki recenzowanej pracy doktorskiej, w której doszukałem się jedynie dwóch drobnych usterek interpunkcyjnych (na stronie 8 brak kropki kończącej zdanie i 16 zbędny apostrof) a na stronie 53 w rozdziale 3.2 numeracja Tabel rozpoczyna się od zamiast W podsumowaniu stwierdzam, Ŝe mgr Olga Stasyuk przedstawiła w swojej pracy doktorskiej wiele nowych i oryginalnych wyników badań, które pozwoliły na sformułowanie wartościowych wniosków. Wobec powyŝszego stwierdzam, Ŝe rozprawa doktorska mgr Olgi Stasyuk spełnia warunki określone w Ustawie z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki oraz Rozporządzenia MNiSW z dnia 22 września 2011 roku i wnoszę do Rady Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej o dopuszczenie mgr Olgi Stasyuk do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Biorąc pod uwagę fakt, iŝ jest to praca wysoce nowatorska, będąca dorobkiem głębokich przemyśleń, analiz i systematycznych badań oraz jej wysoki poziom naukowy, wnioskuję o wyróŝnienie pracy doktorskiej mgr Olgi Stasyuk. Autorka w swej rozprawie wykazała jak oddziaływania międzycząsteczkowe wpływają na strukturę π-elektronową oraz tautomeryzację zasad kwasów nukleinowych stanowiących jedne z waŝniejszych układów chemicznych i odgrywających bardzo waŝną rolę w biologii. 5