The object of research, development or design (in Russian) : Объектом настоящего исследования являются модельные комлексы водоокисляющего комплекса (ВОК) фотосистемы 2 (ФС 2), апо-ФС2.

The object of research, development or design (in Kazakh) : Бұл зерттеу объектісі фотожүйе 2 су тотықтырғыш кешенінің модельдік кешендері, aпo-ФС2 болып табылады.

Aim of work (in Russian) : Цель исследования - получение новых данных о механизме фотоактивации, а именно данных о структуре промежуточных состояний комплексов в процессе каталитической реакции и атомистических основ самосборки водоокислящего марганцевого комплекса фотосистемы II.

Aim of work (in Kazakh) : Зерттеудің мақсаты – фотоактивация механизмі туралы жаңа мәліметтерді, атап айтқанда каталитикалық реакция кезіндегі кешендердің аралық күйлерінің құрылымы және II фотожүйенің су тотықтырғыш марганец кешенінің өздігінен жиналуының атомдық негіздері туралы мәліметтерді алу.

Методы исследования (на русском) : В данной работе для решения поставленных задач был применен широкий спектр современных методов квантово-механического моделирования, реализованных в программных пакетах открытого доступа, таких как ORCA, CP2K и GROMACS. Выбор конкретного метода определялся спецификой исследуемого объекта и поставленной задачи. Для изучения модельных Mn-катализаторов с лигандами ацетата был использован комплексный подход, включающий теорию функционала плотности в пакете программ ORCA, позволивший рассчитать свободную энергию Гиббса и эффективные потенциалы реакций, что дало возможность оценить термодинамическую выгодность и кинетические параметры процессов образования оксомостиков и присоединения второго иона Mn. А также метод минимального энергетического пути, с помощью которого были проанализированы энергетические профили реакций и определен наиболее вероятный путь образования оксомостиков и присоединения второго иона Mn. Для исследования апо-ФС2 нами применялась классическая молекулярная динамика в пакете Gromacs, позволившая изучить динамику апо-ФС2, включая конформационные изменения и взаимодействие с окружающей средой. В частности, был проведен анализ состояний протонирования аминокислотных остатков в полости кластера. А также комбинированный подход QM/MM в пакете CP2K, был использован для более точного моделирования процессов, связанных с присоединением ионов Mn и Ca к апо-ФС2.

Методы исследования (на казахском) : Бұл жұмыста есептерді шешу үшін ORCA, CP2K және GROMACS сияқты ашық қолжетімді бағдарламалық пакеттерде енгізілген заманауи кванттық механикалық модельдеу әдістерінің кең спектрі қолданылды. Нақты әдісті таңдау зерттелетін объектінің ерекшелігімен және қойылған тапсырмамен анықталды. Ацетат лигандтары бар Mn катализаторларының моделін зерттеу үшін ORCA бағдарламалық пакетіндегі тығыздықтың функционалдық теориясын қамтитын интеграцияланған тәсіл пайдаланылды, бұл Гиббстің бос энергиясы мен эффективті реакция потенциалдарын есептеуге мүмкіндік берді, бұл термодинамикалық қолайлылықты және термодинамикалық қолайлылықты бағалауға мүмкіндік берді. оксокөпірлердің түзілу және екінші Mn ионын қосу процестерінің кинетикалық параметрлері. Сонымен қатар минималды энергетикалық жол әдісі, оның көмегімен реакциялардың энергетикалық профильдері талданды және оксокөпірлердің пайда болуының және екінші Mn ионының қосылуының ең ықтимал жолы анықталды. apo-PS2 зерттеу үшін Gromacs пакетінде классикалық молекулалық динамика қолданылды, бұл конформациялық өзгерістерді және қоршаған ортамен әрекеттесуді қоса алғанда, apo-PS2 динамикасын зерттеуге мүмкіндік берді. Атап айтқанда, кластер қуысындағы аминқышқылдары қалдықтарының протондану күйлеріне талдау жүргізілді. Сондай-ақ apo-PS2-ге Mn және Ca иондарын қосумен байланысты процестерді дәлірек модельдеу үшін CP2K пакетіндегі біріктірілген QM/MM тәсілі қолданылды.

Obtained results and novelty (in Russian) : Новизна работы заключается в комплексном теоретическом исследовании начальных стадий фотоактивации с использованием квантово-химических расчетов и молекулярной динамики. Впервые был детально изучен механизм образования оксомостиков в присутствии лигандов ацетата, показано его влияние на стабильность комплексов и энергетический барьер каталитической реакции. Также установлено наиболее вероятное место начального связывания ионов марганца в апо-ФС2 и предложен механизм присоединения второго иона марганца и третьего иона кальция. Кроме того, нами объяснены противоречивые экспериментальные данные о протонировании кластера Mn4Ca в апо-ФС2 и предложена гипотеза о связи протонирования аминокислотных остатков с подвижностью С-концевого участка D1 и локальными конформационными изменениями в активном центре.

Obtained results and novelty (in Kazakh) : Жұмыстың жаңалығы кванттық химиялық есептеулер мен молекулалық динамиканың көмегімен фотоактивацияның бастапқы кезеңдерін кешенді теориялық зерттеуде жатыр. Алғаш рет ацетатты лигандтардың қатысуымен оксокөпірлердің түзілу механизмі жан-жақты зерттеліп, оның комплекстердің тұрақтылығына және каталитикалық реакцияның энергетикалық кедергісіне әсері көрсетілді. Сондай-ақ apo-PS2-дегі марганец иондарының бастапқы байланысуының ең ықтимал орны белгіленді және екінші марганец ионын және үшінші кальций ионын қосу механизмі ұсынылды. Сонымен қатар, біз apo-PS2-дегі Mn4Ca кластерінің протондануы туралы қарама-қайшы эксперименттік деректерді түсіндірдік және аминқышқылдары қалдықтарының протондануы мен D1-нің С-терминал аймағының қозғалғыштығы мен жергілікті конформациялық өзгерістер арасындағы байланыс туралы гипотезаны ұсындық. белсенді орталық.

The main constructive and technical economic indicators (in Russian) : Технико-экономическое внедрение в рамках проекта не предусматривалось. Модернизация вычислительного кластера АФИФ позволила увеличить его вычислительную мощность на 42 ТФлопс и расширить объем хранения данных на 18 Тб, повысив надежность и отказоустойчивость системы. В результате модернизации общая теоретическая производительность кластера достигла 94,4 ТФлопс (CPU) и 1461 ТФлопс (GPU), а общая емкость хранилища данных составила 230 Тб. Это позволило повысить производительность научных исследований, сократить время расчетов и обработки данных, а также расширить возможности для проведения масштабных исследований в области астрофизики и бионеорганической химии.

The main constructive and technical economic indicators (in Kazakh) : Жоба аясында техникалық-экономикалық іске асыру қарастырылмаған. ФАИ есептеу кластерін жаңғырту оның есептеу қуатын 42 ТФлoпс арттыруға және деректерді сақтау көлемін 18 ТБ кеңейтуге мүмкіндік берді, жүйенің сенімділігі мен ақауларға төзімділігін арттырды. Жаңарту нәтижесінде кластердің жалпы теориялық өнімділігі 94,4 ТФлопс (CPU) және 1461 ТФлопс (GPU) жетті, ал деректерді сақтаудың жалпы сыйымдылығы 230 ТБ құрады. Бұл зерттеу өнімділігін арттырды, есептеу және деректерді өңдеу уақытын қысқартты және астрофизика мен биобейорганикалық химиядағы ауқымды зерттеулердің мүмкіндіктерін кеңейтті.

Level of implementation (in Russian) : Внедрение не планируется.

Level of implementation (in Kazakh) : Іске асыру жоспарланбайды.

Efficiency (in Russian) : Высокая эффективность проекта подверждается публикациями в международных рейтинговых журналах (ACS Omega, Materials) и в отечественных изданиях (Вестник КБТУ), что обеспечивает широкий доступ к полученным данным для научного сообщества. Результаты доложены на трех международных конференциях, что способствует обмену знаниями и развитию международного сотрудничества. В рамках проекта подготовлена к защите работа студента докторантуры и выполнено исследование для магистерской диссертации, что способствует подготовке квалифицированных кадров в области фотосинтеза и катализа. Экономическая эффективность выражается в оптимизации затрат на вычислительные ресурсы, так как модернизированный кластер позволяет проводить сложные расчеты на собственной инфраструктуре, исключая необходимость аренды внешних вычислительных мощностей.

Efficiency (in Kazakh) : Жобаның жоғары тиімділігі халықаралық рейтингтік журналдардағы (ACS Omega, Materials) және отандық басылымдардағы (KBTU Bulletin) жарияланымдармен расталады, бұл ғылыми қоғамдастық үшін алынған деректерге кең қол жетімділікті қамтамасыз етеді. Нәтижелер білім алмасуға және халықаралық ынтымақтастықты дамытуға ықпал ететін үш халықаралық конференцияда айтылды. Жоба аясында докторанттың жұмысы қорғауға дайындалып, магистрлік диссертацияға ғылыми-зерттеу жұмыстары жүргізілді, бұл фотосинтез және катализ саласында білікті кадрларды даярлауға ықпал етеді. Экономикалық тиімділік есептеу ресурстарының құнын оңтайландыруда көрінеді, өйткені жаңғыртылған кластер күрделі есептеулерді жеке инфрақұрылымда жүргізуге мүмкіндік береді, сыртқы есептеу қуатын жалға алу қажеттілігін болдырмайды.

Field of application (in Russian) : Полученные в рамках реализации проекта результаты могут быть применены в области теоретических и экспериментальных исследований фотосинтеза в качестве источника новых данных и знаний о механизме фотоактивации, а также новых методов и подходов к моделированию катализаторов переходных металлов. Данные о механизме образования оксомостиков и влиянии ацетатных лигандов на самосборку марганцевого катализатора помогут в создании эффективных искусственных систем для катализа реакций окисления воды, применяемых в технологии водородной энергетики. Изучение влияния протонирования аминокислот на структуру и поведение апо-ФС2 способствует разработке биомиметических комплексов, способных воспроизводить механизмы природного фотосинтеза для преобразования солнечной энергии. Исследование влияния различных факторов на образование оксомостиков может быть полезно для создания новых материалов с заданными каталитическими свойствами.

Field of application (in Kazakh) : Жоба аясында алынған нәтижелер фотосинтезді теориялық және эксперименттік зерттеулер саласында фотоактивация механизмі туралы жаңа деректер мен білімнің көзі ретінде, сонымен қатар өтпелі металл катализаторларын модельдеудің жаңа әдістері мен тәсілдері ретінде қолданылуы мүмкін. Оксокөпірлердің пайда болу механизмі және марганец катализаторының өздігінен жиналуына ацетат лигандтарының әсері туралы мәліметтер сутегі энергетикалық технологияда қолданылатын судың тотығу реакцияларын катализдейтін тиімді жасанды жүйелерді құруға көмектеседі. Амин қышқылы протонациясының апо-PS2 құрылымы мен мінез-құлқына әсерін зерттеу күн энергиясын түрлендіру үшін табиғи фотосинтез механизмдерін жаңғыртуға қабілетті биомиметикалық кешендердің дамуына ықпал етеді. Оксокөпірлердің пайда болуына әртүрлі факторлардың әсерін зерттеу қажетті каталитикалық қасиеттері бар жаңа материалдарды жасау үшін пайдалы болуы мүмкін.