Решетки на окна расстояние между прутьями: Какое расстояние должно быть между прутьями оконной решётки?

Содержание

Неприступное кружево оконных решеток | Оконные решетки Гефест

Времена меняются и роль давно известных вещей – тоже. Изначально оконные решетки устанавливали, чтобы узники не смогли выбраться из темницы. Эти изделия расчерчивали небо в мелкую клетку и не вызывали никаких чувств, кроме безысходной тоски и злости.
Большинство современных решеток на окнах первых и вторых этажей ставится с противоположной целью: они необходимы, чтобы в окно никто не смог забраться. При этом основное (защитное) качество решетки успешно дополнено функцией декоративной. Легкое на вид металлическое кружево придает дому индивидуальные черты, делает акцент на окнах, но представляет собой сложно преодолимое препятствие на пути потенциальных грабителей.

Сварные, кованые, объемные, плоские…

По способу изготовления решетки на окна подразделяют на сварные и кованые. На практике это разделение довольно условно. При изготовлении кованой решетки тоже применяется сварка для «сборки» отдельных кованых элементов в полотно.

Современные кованые решетки на окна могут быть настоящим произведением искусства. Это зависит от фантазии заказчика и мастерства кузнеца. Разумеется, у опытного мастера всегда есть каталог готовых решений, но если у вас есть эскиз или фото решетки на окна – вам не откажут. Более того, некоторые компании сразу предлагают несколько готовых моделей на выбор. Индивидуальность изделия и присутствие ручного труда в процессе производства автоматически означают, что цена решетки может быть очень высокой. Дизайн сварных решеток намного проще, их производство может быть поставлено на поток. Качество сварных изделий ничуть не ниже, чем кованых аналогов, применение полуавтоматической сварки позволяет получать почти незаметные сварочные швы без окалины. Главное преимущество сварных изделий – цена. Недорогие сварные решетки на окна более доступны для широкого круга покупателей, чем кованые.

Для изготовления оконных решеток чаще всего используется стальной квадрат (вплоть до 16х16 мм), круглый или шестиугольный пруток, реже – профильная труба, полоса, комбинированный профиль. Из квадрата и прута получаются самые прочные и красивые решетки, изделия из полосы не так эстетичны, но доступны даже для тех, кто стеснен в средствах. Компромиссное решение – изделия из комбинированного профиля, то есть, из прутка и полосы. Оптимальное расстояние между прутьями решетки составляет 140-150 мм. Технически прутья можно располагать на любом расстоянии, но если оно превышает 150 мм, решетка превратится в сугубо декоративный фасадный элемент, не имеющий ничего общего с безопасностью. Меньшее расстояние между прутьями поставит под сомнение роль окна как источника света. По пространственной конфигурации различают плоские и объемные изделия. Второй вариант дает дополнительные возможности для украшения дома – в «луковицы» или «животики» решеток часто ставят емкости с цветами.

Тонкости монтажа
Правильная установка оконных решеток осуществляется внакладку на оконный проем либо в торцы проема, между рамами или перед ними. Выбор способа установки зависит от типа решетки, особенностей стен и окон, пожеланий заказчика. Важно учесть, что монтаж внакладку возможен, только если размер решетки превышает размер оконного проема. При установке решеток между рамами важно, чтобы форточка внутренней рамы открывалась внутрь, а внешней – на улицу.

Оконные решетки могут быть стационарными и открывающимися. Стационарная установка практически полностью исключает вероятность несанкционированного проникновения снаружи. С другой стороны, наглухо закрепленная решетка никого и не выпустит наружу. Поэтому правила пожарной безопасности требуют, чтобы в помещении была установлена хотя бы одна открывающаяся решетка.

Открывающиеся конструкции могут быть распашными и раздвижными, существуют также съемные решетки. Последние устанавливаются только между рамами и никуда не годятся с точки зрения пожарной безопасности, так как на их демонтаж требуется время. Взломостойкость съемных решеток тоже относительно невысока, поэтому их есть смысл ставить на окна, расположенные не ниже второго этажа.

Самый распространенный тип решеток – распашные. Они могут оснащаться замком или запорно-распашным устройством. С точки зрения безопасности предпочтительнее второй вариант, с позиций экономии – первый. Запорно-распашное устройство устанавливают в стене здания. Устройство приводится в действие рычагом, расположенным сбоку от окна или под подоконником. Механизм устройства надежно защищен от влаги, открыть решетку снаружи невозможно, а хозяевам при необходимости экстренной эвакуации не придется в панике искать ключ.

Раздвижные решетки выпускаются в двух вариантах: с нижним роликом или верхним подвесом. Решетки с нижним роликом более доступны, с верхним подвесом – надежнее. Оба типа раздвижных конструкций соответствуют правилам пожарной безопасности и удобны в эксплуатации. Однако есть мнение, что раздвижная решетка уступает распашным аналогам по главному параметру: устойчивости к взлому.

Выбор – это всегда непросто. И оконные решетки – не исключение. Кроме цены, надежности, эстетики самих изделий вам придется учесть и особенности здания, где они будут установлены. Для частных домов, особенно построенных по индивидуальному проекту, предпочтительнее кованые решетки, соответствующие стилю постройки. Но уникальное и надежное кованое кружево может выглядеть нелепо на фасаде заурядного многоквартирного дома. В этом случае более разумно выбрать типовую сварную решетку.

Решетки на окна: виды, конструкция

Окна на первых этажах зданий кажутся такими привлекательными… для тех, кто имеет злой умысел. Поэтому для защиты дома давно стали использоваться металлические решетки на окна. Но кроме того эти конструкции приобрели и чисто декоративную функцию, так что устанавливают их на окнах даже самых верхних этажей.

В чем значимое отличие между защитной и декоративной решетками?

В первую очередь это толщина прутьев и расстояние между ними. Для защитной металлической решетки оптимальным считается толщина от 1 см в диаметре и не больше 20 см промежуток. Это обеспечивает прочность, надежность и устойчивость. Но толщина прутьев не позволяет особенно экспериментировать с узорами. Самый распространенный «декор» из прутьев защитной решетки – это ромбы, которые добавляют жесткости и надежности конструкции. 

Но на окнах загородных домов, реже – городских квартир можно увидеть и настоящее произведение искусства из металла. Это кованые решетки, цены на которые достаточно высокие, функция которой чисто стилистическая. Такая металлическая решетка имеет меньшую толщину и прочность, ведь элементы изготавливаются отдельно и только на последнем этапе их сваривают в единое. 

Решить вопрос красоты и надежности позволяют защитно-декоративные решетки. На прочный каркас, с толщиной прутьев от 7 мм по вертикали или горизонтали приваривают прутья на стандартном расстоянии. А между прутьями – декоративные элементы. 

Разновидности решеток на окна отличаются не только функцией, но и конструкцией крепления к стене:

1. Глухая (жесткое крепление).

2. Распашная.

3. Раздвижная.

Первые кажутся самыми надежными. Но вопрос в том, насколько опасность взлома перевешивает опасность пожара, да и просто удобство пользования окном. 

Распашные решетки встречаются чаще всего. Они обеспечивают хороший уровень защиты, система запирания установлена внутри квартиры, и в то же время можно свободно пользоваться окном. 

Раздвижные решетки – самые компактные – работают по принципу гармошки, потому, когда раздвинуты, занимают очень мало места и не так, как распашные привлекают внимание. Но если предыдущие конструкции не сложно соорудить своими руками, то изготовление и монтаж раздвижной системы потребуют определенных навыков.

По виду монтажа оконная решетка может быть съемной. Такой вариант больше подходит для декоративных решеток. Во-первых, надежность съемной конструкции значительно ниже – ее не сложно установить и также демонтировать. Во-вторых, вес съемной решетки должен быть небольшим, поскольку крепятся они на специальных крючках.

Однако съемная решетка как защитная может быть установлена между рамами.

Решетки на окна: особенности, достоинства, фото

Решетки на окна, к сожалению, стали в городе просто необходимостью. Многие годы они обеспечивают нашу безопасность, защищая от недобрых людей. Металлические решетки на окна устанавливают не только на первых этажах, но и там, где есть вероятная возможность доступа к окнам помещения снаружи.

Решетки на окна – недорого, красиво, прочно


Отдельное внимание следует уделить покраске решеток на окна. Перед монтажом готовую решетку необходимо окрасить. На сегодняшний день при том уровне, на, который вышла химическая промышленность, правильно выбрать краску для решеток сможет только специалист.

Покраску нужно делать и высушивать до установки решетки. Оттенки, популярные сегодня для оконных решеток – это имитирующие антикварный вид или похожие на состаренную бронзу или золото цвета. Также популярны для окрашивания решеток на окна различные тонированные и бесцветные лаки.

Перед монтажом оконных решеток для их покраски часто используют импортные автомобильные эмали. Для защиты от возникновения коррозии, финишная покраска готовой оконной решетки осуществляется лишь после предварительного тщательного грунтования металла. На сегодняшний день самым качественным окрашивающим средством является порошковая краска, потому что она обладает хорошими электроизоляционными и теплоизоляционными свойствами. Она намного более резистентная к разрушительным атмосферным влияниям и выносливей к механическим воздействиям. Хотя цена такой краски выше, чем обыкновенной. Обратите внимание, что, если оконная решетка уже установлена, то качественно покрасить ее уже практически не представляется возможным. Решетка на окне будет служить Вам многие годы, и за это время ей понадобится некоторый уход.

Периодически Вы при необходимости можете помыть решетку, перекрасить ее. Поэтому при проектировании решеток подумайте о возможности в дальнейшем помыть окно. Это подразумевает расчет достаточной дистанции от решетки до рамы со стеклом, позволяющей достать стекло рукой или шваброй.

Если позднее появится ржавчина, то можно использовать новое современное средство — преобразователь ржавчины. Его нужно наносить прямо на затронутое коррозией место.

Грамотный монтаж решеток на окна – залог успешной эксплуатации

Не одно только качество материалов, используемых при производстве оконной решетки, влияет на степень ее надежности. Профессионализм мастера, который непосредственно производит монтаж в оконные проемы, во многом определяет прочность и долговечность службы установленной им железной решетки. Установка решеток осуществляется путем крепления рамы непосредственно в проем. Определяющим жесткость, каркасом оконной решетки выступает металлическая рама, сваренная из стальных профилей разных размеров и сечений. Во внутреннюю часть рамы вставляется решетчатая конструкция, сделанная в форме разнообразных узоров. Они могут составляться из фигур разных форм: от правильных геометрических — до аморфных и абстрактных, имеющих вычурный вид.

Есть несколько способов монтажа решеток на окна. К примеру, для монтажа «внакладку» делается решетка с размером, большим за размер самого оконного проема. Поэтому со способом монтажа оконных решеток нужно определиться еще перед началом изготовления самих решеток. При установке решетки в кирпичную или бетонную стену сначала установщик в цементных швах или между кирпичами сверлит отверстия по диаметру закладных штырей. Затем вставляет в полученные отверстия закладные штыри и к их выступающим концам приваривает оконную решетку.

Еще один метод: по периметру решетки на нее наваривают проушины либо сверлят с определенным шагом отверстия. Затем в соответствии с этими проушинами или отверстиями, на стене производят разметку. По ней в стене под разными углами сверлятся отверстия, в них вставляют штыри, чтобы к выступающим концам потом приварить решетку. На этом установка решетки в оконный проем окончена.

Хотя установка стальных решеток на окнах — вынужденный шаг, но для полного чувства безопасности оконные решетки настоятельно рекомендуем установить в помещениях, расположенных на нижних этажах, выходящих окнами на козырьки и на мансардные окна.

Кованые решетки на окна

Из всего представленного на рынке разнообразия конструкций, предназначенных для защиты окон, можно выделить две большие группы: кованые оконные решетки и сварные оконные решетки. Сегодня при изготовлении кованых решеток на окна наряду с распространенной сваркой, широко применяется и ковка. В отличие от сварки ковка позволяет изготавливать решетки по абсолютно уникальному дизайну. Каждый элемент кованой решетки для окон наделен определенной степенью декоративности. Такие оконные решетки будут выступать яркой и стильной частью общего дизайна. Кованые оконные решетки подчеркнут уникальность всего здания или только вашего окна среди множества других.

Влияние моды коснулось предпочтений населения при выборе дизайна кованых металлических решеток.

Сегодня очень популярны так называемые смешанные, или «миксовые» рисунки, которые составляются из элементов с различными размерами и формами сечения. Очень гармонично смотрятся кованые металлические решетки на окнах, выдержанные в общем стиле здания и перекликающиеся с иными элементами всего ландшафта (декоративные решетки, ворота, фонари). Такое унисонное сочетание представит Ваш дом, усадьбу, уникальными, неповторимыми. Даже типовая застройка улицы не сможет приглушить внешней уникальности Вашего дома. С каждым годом кованые решетки для окон приобретают нарастающую популярность, так как не ограничивают своих владельцев в возможностях удачного выражения своей индивидуальности и чувства стиля.

Современные качественные материалы в сочетании с высоким профессионализмом монтажа создают обманчивое впечатление хрупкости ажурных конструкций кованых решеток на окнах, способных на самом деле осуществлять мощную защиту всего здания или одного окна от злонамеренного несанкционированного проникновения.

Самые распространенные решетки из обычного «квадрата», или прутка квадратного сечения.


Шаг прутьев имеет большое влияние на прочность всей конструкции. Шаг прутьев – это расстояние, на котором производится сваривание прутьев решетки. При чересчур большом расстоянии между прутьями решетка на окнах не обеспечит надежной защиты от грабителей. Хотя чем больше частота, тем крепче оконная решетка, все же слишком частая решетка может затемнять помещение и затруднять доступ к стеклу для помывки.

Большой выбор металлических оконных решеток в Санкт-Петербурге

Выбор размера повторяющейся части рисунка решетки зависит от размеров и пропорций окна, целей использования, предполагаемой степенью защиты оконных решеток.

По общим рекомендациям расстояние между прутьями решетки не должно превышать 15 сантиметров. Чем больше мест необходимо распилить для проникновения в помещении, тем больше времени будет у сотрудников вневедомственной охраны, чтобы доехать до объекта, тем больше шансов у окружающих заметить факт взлома. Однако, более мелкий рисунок увеличивает количество точек сварки, вес решетки, и тем самым удорожает ее. Также стационарная решетка с мелким узором пропускает меньше света.

Поворот узора оконной решетки

В зависимости от пропорции окна используют поворот элементов узора оконной стационарной решетки на 90° или 180° градусов. Поворот на 90° позволяет оформить окна в едином стиле, не жертвуя безопасностью. Зачастую такой способ используется для оформления решеток на лоджию и решетки на окна, расположенных рядом.

Пример горизонтального и вертикального узора рисунка в зависимости от пропорций окна сильно меняет восприятие металлоконструкции в целом. Пропорции рисунка на двух окнах одинаковы.

Поворот оконной решетки на 180° на соседних окнах (зеркалирование рисунка) позволяет создать законченную, симметричную композицию, привлечь внимание к центральному элементу: крыльцу с козырьком или входной двери. Такой прием применим для несимметричных узоров решеток.

Масштабирование узора оконных решеток

При оформлении решеток на оконные и дверные проемы применяют масштабирование узора раппорта решетки с сохранением или без сохранения пропорций. Масштабирование без сохранения пропорций приводит к увеличению размеров зазоров между элементами оконной решетки, что приводит к понижению защитных свойств.

Здесь ориентация рисунка на двух окнах одинаковы, но пропорции узора растянуты. Более широкое окно оборудовано распашной створкой.

На фотографиях одинаковый паттерн рисунка повторяется 3 и 6 раз в зависимости от ширины окна.

Масштабирование с сохранением пропорций особо применимо для дверных и оконных решеток с мелким симметричным узором. Для интересных, сложных узоров с завитками этот вариант заполнения мало применим.

Цвет и размер ячейки оконной решетки имеет решающее значение для ее восприятия.

При выборе цвета оконных решеток следует исходить из цвета и материала стен, цвета стеклопакетов и предполагаемой технологии окраски.

На данных фотографиях приведены решетки с одинаковым ромбовидным узором, с раппортом одинакового размера, но различающиеся по цвету. Различная окраска решеток делает образ окна разительно отличающимся в каждом случае.

Пример оконных решеток различных вариантов окраски на фасаде одного дома

Окрашенная белым решетка не слишком сочетается с кирпичной стеной и темным стеклопакетом. Окрашенная черным решетка смотрится выигрышей, но не слишком гармонирует с белой рамой окна. Идеальный вариант. Решетка и стеклопакет одного оттенка. Красновато-коричневый цвет решетки хорошо гармонирует с кирпичной кладкой.

Пример сварных решеток на окна разного цвета с одним рисунком

Решетка с ромбовидным узором белая Решетка с ромбовидным узором с грунтом Решетка с ромбовидным узором черная

Оконные решетки светлых тонов

Светлый тон стеклопакетов и панельную облицовку стен плиткой хорошо дополняют решетки на окна светлых тонов. Однако, со временем такие решетки желтеют, что придает конструкции не очень аккуратный вид. Также пыль хороша видна на решетках стационарного света. Потому такие решетки лучше не располагать на нижних этажах домов около загазованных, загруженных трасс.

Но светлые решетки меньше всех поглощают свет. Они меньше других отвлекают внимание от окна и меняют облик здания. Особенно, если это решетки из полосы. В этом случае, такие решетки будут практически незаметными.

Если Вы планируете установить решетки внутри, а не снаружи здания, белый цвет решетки не потемнеет со временем и будет хорошо гармонировать с тюлем или жалюзи светлых тонов.

Это оптимальный вариант окраски раздвижных решеток, которые устанавливаются изнутри и могут при необходимости компактно собираться.

Оконные решетки красных тонов

Решетки на окна покрытые грунтом или эмалью красноватых тонов хорошо сочетаются с кирпичной кладкой. Такая окраска гармонизирует общий облик здания, придает строению законченный вид.

Решетки красных и кирпичных домов с течением времени не изменяют внешний вид, желтизна на них не видна. Потому это идеальный цвет для бюджетного варианта окраски.

Решетки с грунтом или кирпичного, красного цвета идеально подходят для дутых решеток с устанавливаемых внутри них ящиками для цветов. Зеленые и изумрудные оттенки будет гармонировать с красноватыми тонами, что позволит создать жизнерадостную, оживленную атмосферу.

Оконные решетки темных тонов

Решетки темных оттенков хорошо сочетаются с кирпичной кладкой из серого и красного кирпича, отделкой натуральным камнем и деревом. Темная покраска идеальный вариант для загородных домов, где решетки, крыльцо, забор в одном стили создают респектабельный, продуманный вид участку.

Также темная окраска зачастую применяется для отделки домов в стиле ретро, при яркой окраске стен, для современных домов с деревянными рамами или стеклопакетами темного цвета.

Решетки темных тонов долго прослужат не теряя первоначальный вид. Пыль и коррозия на них будет не слишком заметна.

Необычная окраска решеток

Необычная окраска решеток несколько дороже других вариантов, но это беспроигрышный способ привлечь к зданию повышенное внимание. Такой вариант идеален для торговых точек и небольших магазинов, расположенных на первых домах зданий.

Вариант необычной окраски обойдется дешевле, а результат будет более предсказуем, чем необычный узор оконных решеток.


Пример оконных решеток различных вариантов окраски на фасаде серого цвета

На фасаде из серого кирпича решетки любых оттенков выглядят хорошо.

Окрашенная рыжим решетка создает оптимистичный и веселый вид. Белая решетка гармонична и практически незаметна. Черный вариант создает классический, степенный образ.

Решетки на пластиковые окна

Металлические решетки на окна служат для защиты помещения от взлома грабителями или иными злоумышленниками. Оконные решетки, как правило, устанавливают жители первых этажей, поскольку окна находятся достаточно низко от поверхности земли и являются одним из самых уязвимых мест жилища.

Металлические оконные решетки бывают нескольких видов. Стационарные оконные решетки считаются самыми надежными – они монтируются непосредственно в оконный проем и снять их без длительной и очень шумной процедуры резки металла невозможно.

Однако стационарные оконные решетки не могут быть установлены на все окна в помещении. Ведь в случае пожара у хозяев жилья должна быть возможность покинуть помещение через окно. Для этого хотя бы одно окно в помещении оснащается не стационарной, а съемной, раздвижной или распашной оконной решеткой.

Съемная оконная решетка внешне похожа на стационарную, однако крепится к стене на завинчивающихся болтах. При необходимости болты можно развинтить, но на это потребуется время, которого в случае пожара может попросту не быть.

Распашные оконные решетки состоят из одной или двух ставней и врезного или навесного замка. Такие оконные решетки прочны и надежны, а ключ от замка находится в укромном месте (недоступном снаружи) у хозяев помещения. В случае опасности хозяева могут быстро открыть замок оконных решеток.Раздвижные оконные решетки крайне редко используются для защиты окон в жилых помещениях. Такие оконные решетки необходимо устанавливать с внутренней стороны окон, к тому же, большинство раздвижных оконных решеток открывают оконный проем лишь на 80%.

По правилам пожарной безопасности в помещениях с одной входной дверью хотя к одному из окон в помещении должен быть обеспечен свободный доступ на случай возгорания. Специалисты рекомендуют при оснащении окон оконными решетками, хотя бы одну решетку сделать распашной.

Оконные решетки могут иметь разное назначение. Так, условно все оконные решетки можно разделить на декоративные, декоративно-охранные и охранные.Декоративные оконные решетки полностью соответствуют своему названию. Их задача – лишь формально преградить доступ к окнам, поскольку их фактическая взломоустойчивость очень мала. Такие оконные решетки изготавливаются из рубленой полосы 1-4 мм толщиной. Между прутьями расстояние довольно большое.

Охранно-декоративные оконные решетки более устойчивы к взлому, но все же недостаточно надежно защищают помещение от взлома. Изготавливают такие решетки из комбинированного металлопроката среднего сечения 10 мм. При монтаже закрываются наружными наличниками. К сожалению, бесшумно взломать прутья решетки, если они менее 16 мм в сечении, можно обычными кусачками.


Наиболее надежны охранные оконные решетки – для их взлома злоумышленникам потребуется значительное время и электроинструменты, которые, конечно же, привлекут внимание своим шумом.

По методу изготовления оконные решетки могут быть кованными и сварными. Полностью кованные оконные решетки – это весьма дорогое удовольствие, доступное не каждому, а сварные оконные решетки не столь надежны.

Поэтому наиболее часто используются комбинированные оконные решетки, в которых есть и кованные и сварные элементы: кованные элементы оконных решеток изготавливаются методом холодной или горячей ковки, а потом конструкция собирается при помощи сварки.

Для изготовления кованных оконных решеток применяют два основных вида металлических заготовок: квадрат и пруток. В сварных оконных решетках используется полоса.

Крепятся оконные решетки в оконных проемах двумя основными способами. При первом способе крепления решетка устанавливается «внакладку»: через всю толщу стены высверливаются сквозные отверстия под болты, которые и будут держать оконную решетку. Такой способ монтажа используется преимущественно в домах из деревянного бруса.

При втором способе крепления в слое цементного раствора или в толще бетона оконного проема высверливаются отверстия глубиной примерно 120 мм и диаметром около 16 мм. В отверстия забиваются закладные штыри, свободный конец которых отстоит от поверхности проема на 20-30 мм. К выступающей части закладных штырей приваривается оконная решетка. Такой способ подходит для кирпичных и бетонных зданий.Что касается декоративного оформления оконных решеток, то выбор заказчикам, как правило, предоставляется неплохой: можно выбрать цвет решетки, ее узор. А если требуемого узора в представленных исполнителем образцах нет, то можно «собрать» индивидуальный узор из нескольких образцов или же создать совершенно уникальный узор по эскизам заказчика.

Красивые решетки на окна

Жители первых и вторых этажей, а также владельцы коммерческих объектов для обеспечения безопасности предпочитают ставить решетки на окна. В последнее время развернулась дискуссия о целесообразности применения этих изделий. У решеток имеются как многочисленные сторонники, так и противники, которые приводят в доказательство своей правоты в целом веские аргументы. Эта статья поможет самостоятельно разобраться, насколько целесообразно устанавливать такую защиту на окна, и какую модель лучше всего выбрать.


Функциональность и преимущества оконных решеток

Уровень безопасности, который способна обеспечить та или модификация решеток, зависит от качества конструкции, выбранного материала и способа крепления. Если сравнивать решетки со ставнями и рольставнями, то они имеют существенный плюс – одновременно пропускают свет и обеспечивают защиту от несанкционированного проникновения. То есть эти элементы оконных конструкций «работают» 24 часа в сутки и не требуют, чтобы их ежедневно открывали и закрывали. К этому положительному качеству нужно добавить еще несколько важных достоинств решеток:
  • обеспечивают возможность открыть настежь окна для проветривания и уйти по своим делам;
  • многие модели (особенно кованные) украшают проемы и фасад здания;
  • позволяют выставлять за окна цветы в теплое время года – для этого нужно специально адаптировать конструкцию.

Недостатком этого вида защиты считается невозможность покинуть помещения при пожаре. Однако этот минус актуален для тех случаев, когда металлические решетки на окна устанавливались без открывающихся элементов. Если оснастить решетку открывающейся створкой, проблема исчезает.

Кроме этого, расстояние между прутьями позволяет злоумышленникам без проблем разбить стеклопакеты, поэтому рекомендуется их наружную сторону оснащать триплексом, подробнее о котором можно прочитать на ОкнаТрейд. Такая дополнительная защита – огромный плюс, поскольку она еще больше повышает уровень безопасности окон.

При выборе стационарных модификаций хотя бы одно окно в квартире или на объекте должно быть оснащено открывающейся решеткой.

Ассортимент решеток

Решетки различаются по способу изготовления, технологии монтажа и виду конструкции. Для каждого отдельного случая на основании анализа всех перечисленных критериев в индивидуальном порядке побирается модель, причем приоритет всегда рекомендуется отдавать надежности конструкции и безопасности. Эти характеристики во многом зависят от качества металла и вида составных элементов решеток. Сегодня для их изготовления применяются:
  • плоские полосы;
  • уголки;
  • гнутые элементы;
  • прутья с разной формой сечения и рельефом поверхности;
  • полые изнутри трубки с квадратным, прямоугольным и круглым сечением;
  • литые фигурные элементы.

Решетки бывают сварные либо кованые. Благодаря доступной стоимости и скорости выполнения заказов чаще всего предпочтение отдают сварным моделям. Кованые решетки на окна преимущественно ставят эстеты, готовые заплатить более высокую цену за визуально привлекательные и эксклюзивные изделия. Ввиду одновременной зависимости надежности решеток от достаточно большого количества факторов сравнивать по этому показателю обе модификации не имеет смысла.

Если планируется монтаж решеток, рекомендуется заранее позаботиться, чтобы активные створки окон открывались внутрь помещений.

Виды решеток

Решетки бывают стационарные (глухие), распашные, раздвижные и съемные. Некоторые специалисты к отдельному виду относят декоративные конструкции, но это не совсем верно. Ведь за исключением раздвижных решеток все остальные модели могут представлять собой эксклюзивное и эстетически совершенное изделие. Причем даже раздвижные решетки при желании тоже можно украсить декоративными элементами – для этого требуется лишь фантазия и мастерство исполнителя.

При выборе распашной или раздвижной решетки необходимо позаботиться о подборе надежного запорного устройства. Многие владельцы недвижимости используют недорогие навесные замки, что крайне ошибочно. Ведь в таком случае критически снижается надежность всей конструкции.


Способы монтажа решеток

Металлические решетки устанавливаются как с наружной стороны зданий, так и внутри помещений. Выбор места монтажа окончательно определяется в процессе замера, когда согласовываются все детали. Эту процедуру должен выполнять опытный мастер, поскольку существуют достаточно много нюансов, влияющих на надежность, безопасность и эстетику конструкций.

Решетки могут крепиться как внутри самого проема, так и внахлест. Причем при выборе второго варианта рекомендуется, чтобы площадь защитных конструкций превышала площадь проема. Также возможен вариант комбинированного монтажа, когда одна часть решетки располагается внутри проема, а вторая выходит за его пределы. Если запланирована установка защиты на окна в деревянном доме, лучше выбрать способ установки внахлест со сквозным креплением через стены, поскольку фиксация внутри проема в этом случае имеет очень низкий уровень надежности.


решетки на окна Главная

Решетки на окна , как правило, выполняют основную задачу — это защита помещения от несанкционированного проникновения. А уж после выполнения этой задачи, решетки на окна могут  служить декоративным украшением дома, офиса, квартиры.

Оригинальные решетки на окна фото

Решетки на окна делят на два вида — это кованые решетки на окна  и  сварные решетки на окна. Часто задают вопрос : «Как выбрать решетки на окна ? Какие решетки на окна лучше кованые или сварные ? »

Защитные кованые решетки на окна фото

Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим основные требования к решеткам на окна, их характеристики, материалы из которых делаются , способы изготовления и способы монтажа .

Для изготовления решеток на окна, как правило, используется арматура  диаметром от 8 мм до 20 мм, круглый прут  диаметром от 10 мм до 18 мм, квадратный прут от 8 мм до 18 мм, нечасто используют шестагранник подобного сечения.   Более мелкое или большее сечение прута применяется крайне редко.

Для рамки решеток на окна в основном используют арматуру  8 мм- 20 мм; круглый прут 10 мм — 18 мм; квадратный прут от 8 мм до18 мм; уголок 25х25 мм, 32 х 32 мм, 36 х 36 мм, 40 х 40 мм, 45 х 45 мм, 50 х 50 мм; профильную трубу различного сечения от 15 х 15мм  до 60 х 60 мм и очень редко круглую трубу и шестигранник.

Дешевые сварные решетки на окна фото

Выбор материала для изготовления решеток на окна зависит от множества факторов. Перечислим некоторые из них : 1. Место где устанавливаются решетки . Ведь согласитесь есть  разница, между решетками на окна, установленными в доме, в сарае, в банке, в офисе, в квартире, во времянке, в вагончике на строительной площадке, в дачном домике в отдаленном, глухом месте или  в усадьбе с охраной и т.д.  2. В каждом конкретном случае выбор материала диктуется внешними условиями и техническими возможностями при установке решеток на окна.   3.Эстетическими запросами заказчика. 4. Финансовая составляющая, также влияет на выбор материала. 5. Просто наличие определенного вида материала для изготовления решеток на окна.

Чтобы решетка на окна  защищала от незаконного проникновения в помещение  необходимо соблюдать определенные требования при изготовлении решетки. Расстояние между прутьями должно быть не больше 150 мм. Чем меньше ячейка между прутьями и чем толще прут , тем выше ее взломоустойчивость, т.е. тем надежнее решетка.

Защитные решетки на окна фото

Самая надежная  решетка — это решетка в клеточку. Такую решетку часто называют  «тюремный» рисунок или  «банковский». И это неслучайно, так как в этой решетке множество  горизонтальных и вертикальных пересечений прута, сваренных между собой, что придает такой решетке повышенную взломоустойчивость. Но всегда ли нужны такие решетки на окна? Во всем нужно руководствоваться здравым смыслом и разумной достаточностью.   В обычной жизни, как правило, вполне достаточно испльзовать материал сечением 10 мм, 12 мм, 14 мм, с рисунком средней плотности наполнения. Такая решетка на окна  не сильно затеняет окно, по своему украшает  и  выполняет функцию защиты.

Как правильно установить решетки на окна.

Существуют различные способы установки решетки на окна. Рассмотрим некоторые из них. Самым распространенным способом установки решетки на окна является крепление в наружный откос, если окно утоплено в стену и позволяет величина откоса. Величина откоса — это расстояние между самим окном и наружной стороной стены. Крепление решетки происходит следующим образом. В откосе перфоратором сверлится отвертие, как правило, диаметром 10 мм, 12 мм. Забивается костыль  соответствующего сечения, длина костыля колеблется в основном от 100 мм до 250 мм и зависит от материла из которого сложена стена. Рамка решетки на окна приваривается к данным костылям.   Иногда  решетки на окна крепятся костылями сквозь флажки, которые приварены к рамке решетки. Количество и расположение флажков или костылей зависит от качества стены, от размера решетки на окна и от пожеланий заказчика. Но, как правило, на каждую сторону  решетки достаточно 3 или 4 места крепления. Иногда вместо костылей  применяют анкера.

Если окно расположено заподлицо  со стеной или величина откоса достаточно мала, то тогда применяются накладные решетки. Название говорит само за себя. Накладные решетки — это решетки рама , которых накладывается на стену, отступив от края окна  на 100 мм — 150 мм.

Накладная кованая решетка фото

Установка накладных  решеток на окна возможна двумя способами. Первый способ — это, когда по периметру решетки забиваются костыли под разными углами, а затем привариваются к раме решетки на окна. Второй способ установки решетки на окна  — это когда, отступив 100 мм — 150 мм от края окна, стена сверлится насквозь. Сквозь стену забивается прут, который с наружной стороны приваривается к раме решетки на окна, а с внутренней стороны к пруту приваривается шайба (ляпуха) большего диаметра, чем отверстие в стене. Она не позволит вытащить прут из стены, а следовательно и решетку.  Существует и третий способ установки накладных решеток на окна — это при помощи анкеров, когда к раме привариваются флажки,  сквозь которые  анкера крепят решетку к стене.  При накладных решетках, самым надежным является второй способ крепления решетки на окна.

Иногда решетки на окна устанавливают внутри помещения, между рамами, в деревянную лутку.  Тогда решетки крепятся при помощи шурупов, или анкеров, или костылями.

Гиперболические решетки в квантовой электродинамике цепей

  • Кэннон, Дж. В., Флойд, В. Дж., Кеньон, Р. и Парри, В. Р. в Flavors of Geometry 31 , 59–115 (MSRI, 1997).

  • Леонхардт У. и Филбин Т.Г. Общая теория относительности в электротехнике. Новый J.Phys . 8 , 247 (2006).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Бац, С.и Пешель, У. Линейная и нелинейная оптика в искривленном пространстве. Физ. Ред. A 78 , 043821 (2008 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Смольянинов И. И., Нариманов Э. Э. Метрические сигнатурные переходы в оптических метаматериалах. Физ. Преподобный Письмо . 105 , 067402 (2010 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Генов Д.А., Чжан С. и Чжан X. Имитация небесной механики в метаматериалах. Нац. Физ . 5 , 687–692 (2009).

    КАС Статья Google ученый

  • Бекенштейн Р.и другие. Управление светом искривленным пространством в нанофотонных структурах. Нац. Фотон . 11 , 664–670 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Бекенштейн Р., Шлей Р., Муцафи М., Ротшильд К. и Сегев М. Оптическое моделирование гравитационных эффектов в системе Ньютона-Шредингера. Нац. Физ . 11 , 872–878 (2015).

    КАС Статья Google ученый

  • Унру, В.G. Экспериментальное испарение черной дыры. Физ. Преподобный Письмо . 46 , 1351–1353 (1981).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Вайнфуртнер С., Тедфорд Э. У., Пенрис М. С. Дж., Унру У. Г. и Лоуренс Г. А. Измерение вынужденного излучения Хокинга в аналоговой системе. Физ. Преподобный Письмо . 106 , 021302 (2011).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Филбин Т.Г. и др. Волоконно-оптический аналог горизонта событий. Наука 319 , 1367–1370 (2008).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Штайнхауэр, Дж. Наблюдение квантового излучения Хокинга и его запутанность в аналоговой черной дыре. Нац. Физ . 12 , 959–965 (2016).

    Артикул Google ученый

  • Карузотто, И., Fagnocchi, S., Recati, A. , Balbinot, R. & Fabbri, A. Численное наблюдение излучения Хокинга от акустических черных дыр в атомных конденсатах Бозе-Эйнштейна. Новый J.Phys . 10 , 103001 (2008 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Гераче Д. и Карузотто И. Аналоговое излучение Хокинга от акустической черной дыры в текущей поляритонной сверхтекучей жидкости. Физ. Ред. B 86 , 144505 (2012 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Сабин, К. Отображение искривленного пространства-времени в спиноры Дирака. Науч. Реп . 7 , 40346 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Педерналес, Дж. С. и др. Уравнение Дирака в (1+1)-мерном искривленном пространстве-времени и многофотонная квантовая модель Раби. Физ. Преподобный Письмо . 120 , 160403 (2018).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Коке, К., Нох, К. и Анжелакис, Д. Г. Уравнение Дирака в двумерном искривленном пространстве-времени, создание частиц и массивы связанных волноводов. Энн. Физ . 374 , 162–178 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet КАС Статья Google ученый

  • Боада О., Чели А., Латорре Дж. И.и Левенштейн, М. Уравнение Дирака для холодных атомов в искусственно искривленном пространстве-времени. Новый J.Phys . 13 , 035002 (2011).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Хоук, А. А., Тюречи, Х. Э. и Кох, Дж. Квантовое моделирование на кристалле со сверхпроводящими цепями. Нац. Физ . 8 , 292–299 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Андерсон Б.М., Ма, Р., Оуэнс, К., Шустер, Д.И. и Саймон, Дж. Разработка топологических многочастичных материалов в массивах микроволновых резонаторов. Физ. X 6 , 041043 (2016 г.).

    Google ученый

  • Фитцпатрик М., Сундаресан Н.М., Ли А.С.Ю., Кох Дж. и Хоук А.А. Наблюдение диссипативного фазового перехода в одномерной схемной решетке КЭД. Физ. X 7 , 011016 (2017 г.).

    Google ученый

  • Шмидт, С. и Кох, Дж. Цепные решетки КЭД: к квантовому моделированию со сверхпроводящими цепями. Энн. Физ . (Берл.) 525 , 395–412 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Андервуд Д. Л., Шанкс В.Е., Кох Дж. и Хоук А.А. Решетки микроволновых резонаторов с низким уровнем беспорядка для квантового моделирования с фотонами. Физ. Ред. A 86 , 023837 (2012 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Коксетер, Х.С.М. Регулярные соты в гиперболическом пространстве. В проц. ICM Amsterdam 3 , 155–169 (1954).

    Google ученый

  • Шмидт, С., Джераче, Д., Хоук, А. А., Блаттер, Г. и Туречи, Х. Э. Неравновесный переход делокализация-локализация фотонов в схеме квантовой электродинамики. Физ. Ред. B 82 , 100507 (2010 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Рафтери Дж., Садри Д., Шмидт С., Тюречи Х. Э. и Хоук А. А. Наблюдение перехода от классического к квантовому, индуцированного диссипацией. Физ. X 4 , 031043 (2014 г.).

    Google ученый

  • Весс, В. Контекстно-свободные языки и случайные блуждания по группам. Дискретная математика . 67 , 81–87 (1987).

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Сунада Т. Группа C -алгебра и спектр периодического оператора Шредингера на многообразии. Кан. Дж. Математика . 44 , 180–193 (1992).

    Артикул Google ученый

  • Флойд В.Дж. и Плотник С.П. Функции роста на фуксовых группах и характеристика Эйлера. Изобретение. Математика . 88 , 1–29 (1987).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet Статья Google ученый

  • Бартольди, Л. и Чекерини-Зильберштейн, Т. Г. Ряды роста и случайные блуждания на некоторых гиперболических графах. Монац. Математика . 136 , 181–202 (2002).

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Стрихартц, Р.С. Гармонический анализ как спектральная теория лапласиана. J. Функц. анал . 87 , 51–148 (1989).

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Маклафлин, Дж. К. Случайные блуждания и операторы свертки на свободных произведениях . Кандидатская диссертация, Нью-Йоркский университет. (1986).

  • Агмон С. Спектральная теория операторов Шредингера в евклидовых и неевклидовых пространствах. Комм. Чистое приложениеМатематика . 39 , S3–S16 (1986).

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Крюков Д. , Пападопулос Ф., Китсак М. и Вахдат А. Гиперболическая геометрия сложных сетей. Физ. Ред. E 82 , 036106 (2010 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet Статья Google ученый

  • Богунья М., Пападопулос Ф. и Криуков Д.Поддержка Интернета с помощью гиперболического картографирования. Нац. Коммуна . 1 , 62 (2010).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Липтон Р. Дж. и Тарьян Р. Э. Теорема о разделителе для плоских графов. SIAM J. Appl. Математика . 36 , 177–189 (1979).

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Брейкманн Н.П.и Терхал Б.М. Конструкции и шумовой порог гиперболических поверхностных кодов. IEEE Trans. Инф. Теория 62 , 3731–3744 (2016).

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Блейс, А., Хуанг, Р.-С., Валлрафф, А., Гирвин, С.М. и Шёлкопф, Р.Дж. Квантовая электродинамика резонатора для сверхпроводящих электрических цепей: архитектура для квантовых вычислений. Физ. Ред. A 69 , 062320 (2004 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Koch, J. et al. Конструкция кубита, нечувствительного к заряду, получена из парного ящика Купера. Физ. Ред. A 76 , 042319 (2007 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Реагор М.и другие. Квантовая память с миллисекундной когерентностью в схеме КЭД. Физ. B 94 , 014506 (2016 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Эшкрофт, Н. В. и Мермин, Н. Д. Физика твердого тела (Thomson Learning, 1976).

  • Крото, Х.В., Хит, Дж.Р., О’Брайен, С.К., Керл, Р.Ф. и Смолли, Р.Е.С 60 : Бакминстерфуллерен. Природа 318 , 162–163 (1985).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Бергман, Д. Л., Ву, К. и Баленц, Л. Касание полос из топологии реального пространства в моделях фрустрированных прыжков. Физ. Ред. B 78 , 125104 (2008 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Лейкам Д., Андреанов А. и Флач С. Искусственные плоские ленточные системы: от решетчатых моделей к экспериментам. Доп. физ. Х 3 , 1473052 (2018).

    Google ученый

  • Коллар, А. Дж., Фицпатрик, М., Сарнак, П. и Хоук, А. А. Решетки линейного графа: евклидовы и неевклидовы плоские полосы и реализации в квантовой электродинамике цепей. Препринт на https://arxiv.org/abs/1902.02794 (2019).

  • Annunziata, A.J. et al. Перестраиваемые сверхпроводящие наноиндукторы. Нанотехнологии 21 , 445202 (2010).

    Артикул Google ученый

  • Rotzinger, H. et al. Провода из оксида алюминия для сверхпроводящих цепей с высокой кинетической индуктивностью. Суперконд. науч. Технол . 30 , 025002 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Кестен, Х. Симметричные случайные блуждания по группам. Пер. Являюсь. Мат. Соц . 92 , 336–354 (1959).

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Чен М.С., Онсагер Л., Боннер Дж. и Нэгл Дж. Прыжки ионов во льду. J. Chem. Физ . 60 , 405–419 (1974).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Кэрролл С.М. Конспект лекций по общей теории относительности. Препринт на https://arxiv.org/abs/gr-qc/9712019 (1997).

  • Данэм, Д., Линдгрен Дж. и Витте Д. Создание повторяющихся гиперболических паттернов. Вычисл. График . 15 , 215–223 (1981).

    Артикул Google ученый

  • Адкок Б.М., Джонс К.С., Рейтер К.А. и Вислоки Л.М. Итерированные функциональные системы с симметрией в гиперболической плоскости. Вычисл. График . 24 , 791–796 (2000).

    Артикул Google ученый

  • Динамические испытания на удар ячеистых твердых тел и решетчатых конструкций: применение двустороннего прямого ударного стержня Гопкинсона

    https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2020.103767Получить права и контент

    Основные моменты

    Штанга Хопкинсона для прямого удара с двусторонними инструментами, используемая для испытаний на удар.

    Метод разделения волн позволил значительно увеличить продолжительность эксперимента.

    Разделение волн и реакция образца подтверждены цифровой корреляцией изображений.

    Экспериментальные установки с использованием линейно-упругих и вязкоупругих стержней.

    Металлические пенопласты, решетки, изготовленные аддитивным способом, и гибридные ауксетические метаматериалы, испытанные.

    Abstract

    Прямое испытание на удар с помощью стержня Гопкинсона в настоящее время является очень популярным экспериментальным методом для исследования поведения ячеистых материалов, например, решетчатых метаматериалов, при высоких скоростях деформации, поскольку он преодолевает некоторые ограничения обычного разделения Бар давления Гопкинсона (SHPB). Однако стандартные стержни Гопкинсона прямого воздействия (DIHB) имеют только односторонние инструменты, что усложняет анализ.В этой статье аппарат DIHB, оснащенный обычными тензодатчиками на обоих стержнях (так называемый открытый стержень давления Хопкинсона — OHPB), используется для экспериментов по динамическому удару ячеистых материалов. Цифровая корреляция изображений (DIC) используется как инструмент для исследования перемещений и скоростей на гранях стержней. Метод прямого разделения волн, объединяющий данные тензодатчиков с DIC, используется для многократного увеличения временного окна эксперимента. Экспериментальный метод успешно опробован при скоростях удара в диапазоне 5-30 м·с-1 как с линейно-упругими, так и с вязкоупругими стержнями среднего диаметра.Показано, что при определенных обстоятельствах для оценки измерений с вязкоупругими стержнями достаточно простой линейной упругой модели, а дополнительные поправки на затухание и фазовый сдвиг не требуются. Применимость экспериментального метода продемонстрирована в различных экспериментах с обычными металлическими пенами, гибридными пенами и аддитивно изготовленными ауксетическими решетками, подвергнутыми динамическому сжатию.

    Ключевые слова

    Стержень Хопкинсона прямого удара

    Ячеистые твердые тела

    Ауксетические метаматериалы

    Цифровая корреляция изображений

    Разделение волн

    Рекомендуемые статьи Ссылки на статьи (0)

    © 2000 Thes.Опубликовано Elsevier Ltd.

    Рекомендуемые статьи

    Соглашенные статьи

    Геометрические расстройства

    Геометрические разочарования в упорядоченные решетки плазмонических наноэлементов

    , 1, 2 , 1, 2 , 3 , 3 , 4 , 1, 1, 2 и 9 и 9 и 9 2 2

    ANA Conde-Rubio

    1 Университет Де Барселона, Отдел де-ФИСИКА де ла Matèriia Condensada, Барселона, 08028 Испания

    2 Universitate de Barcelona, ​​Institute de nanociència i nanotecnologia (in2ub), Барселона, 08028 Испания

    Arantxa Fraile Rodrigegez

    1 Universitate de Barcelona, ​​Dreavente de Física de la Matèriia Condensada, Барселона, 08028 Испания

    2 Universitat de Barcelona, ​​Институт нанотехнологий и нанотехнологий (IN2UB), Barcelona, ​​08028 Испания

    André Espinha

    3 Inst itut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB, CSIC), Bellaterra, 08193 Испания

    Agustín Mihi

    3 Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB, CSIC), Bellaterra, 08193 Испания

    906Mno9 Pérez

    4 Институт Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC), Беллатерра, 08193 Испания

    Xavier Batlle

    1 Universitat de Barcelona, ​​Dreavente de Física de la Matèria Condensada, Барселона, 08028 Испания

    2 Universitate de Barcelona, ​​Institute de Nanociència I Nanotecnologia (In2ub), Барселона, 08028 Испания

    Amílcar Labarta

    03

    1 Universitate de Barcelona, ​​Dreavent de Física de la Matèria Condensada, Барселона, 08028 Испания

    2 Universitat Барселона, Институт нанотехнологий и нанотехнологий (IN2UB), Барселона, 08028 Испания

    1 Университет Барселоны, отделение d e Física de la Matèria Condensada, Барселона, 08028 Испания

    2 Университет Барселоны, Институт нанотехнологий и нанотехнологий (IN2UB), Барселона, 08028 Испания

    3 Institut de Ciència de MABs, Барселонский институт материалов , Беллатерра, 08193 Испания

    4 Институт микроэлектроники Барселоны (IMB-CNM, CSIC), Беллатерра, 08193 Испания

    Автор, ответственный за переписку.

    Поступила в редакцию 15 октября 2018 г.; Принято 11 февраля 2019 г.

    Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете оригинал. автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала.Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или превышает разрешенное использование, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.Эта статья цитировалась в других статьях PMC.

    Abstract

    Вдохновленные геометрически фрустрированными магнитными системами, мы представляем оптический отклик трех случаев гексагональных решеток плазмонных наноэлементов.Все они были разработаны с использованием конфигурации металл-изолятор-металл для улучшения поглощения света, с элементами, расположенными в непосредственной близости, для использования связи в ближнем поле, и с треугольной симметрией, чтобы вызвать нарушение дипольной поляризации в промежутках между соседними структурами. Как моделирование, так и экспериментальные результаты показывают, что эти системы ведут себя как идеальные поглотители в видимом и/или ближнем инфракрасном диапазоне. Кроме того, численное исследование эволюции во времени показывает, что они демонстрируют относительно длительный временной отклик, в течение которого система колеблется между локализованными и коллективными модами.Особый интерес представляет эхо-возбуждение мод поверхностного резонанса решетки, которые все еще присутствуют на больших временах из-за геометрической фрустрации, присущей треугольной решетке. Стоит отметить, что возбуждение коллективных мод усиливается и в других типах массивов, где диполярные возбуждения наноэлементов затруднены симметрией массива. Однако мы хотели бы подчеркнуть, что усиление в треугольных массивах может быть значительно больше из-за присущей геометрической несовместимости диполярных возбуждений и осей симметрии третьего порядка.

    Введение

    Фрустрация широко изучалась в магнетизме, где этот термин относится к ситуациям, в которых один или несколько спинов в магнитной элементарной ячейке не находят надлежащей ориентации, чтобы полностью удовлетворить все взаимодействия с соседними спинами, либо из-за существования конкурирующих взаимодействий или фактической геометрией самой конструкции 1 , 2 . Например, это явление обычно происходит в системах с гексагональными решетками и антиферромагнитными взаимодействиями ближнего действия, где геометрическая фрустрация приводит к эффектам медленной динамики и старения, вызванным сложным энергетическим ландшафтом с множеством квазивырожденных состояний 3 , 4 .

    Эта статья направлена ​​на использование концепции геометрической фрустрации в области плазмоники. Мы ввели этот термин в недавней статье, имея в виду ситуации, когда геометрия плазмонной решетки не способствует полной сегнетоэлектрической поляризации промежутков между соседними элементами 5 . В частности, мы показали случай гексагональной решетки звездочек, которая содержала три подрешетки щелей с различной ориентацией по отношению к падающему полю, таким образом, что взаимодействия между диполями щели дестабилизируют моду, соответствующую полной поляризации из всех пробелов.

    Здесь мы делаем шаг вперед и обращаемся к вопросу о реальном механизме, лежащем в основе этого эффекта. В частности, мы сосредоточимся на изучении других массивов наноэлементов Au, в которых ближнепольные диполярные поляризации соседних элементов геометрически нарушены. Наша цель — способствовать возбуждению коллективных мод за счет низкоэнергетических мод, соответствующих ближнепольным взаимодействиям с преобладающим дипольным характером. Мы показываем, что ключевые ингредиенты в установлении степени геометрической фрустрации этих решеток зависят от сложности системы, то есть от количества подрешеток зазоров с различной пространственной ориентацией, а также от силы взаимодействия между ними.Первое связано со свойствами симметрии как решетки, так и элементов массива. Например, характерные тройные оси вращения треугольных массивов наноэлементов несовместимы с двукратной симметрией дипольных возбуждений между щелями. Отметим, что в систему могут вноситься дополнительные фрустрации, когда сами наноэлементы также имеют тройную симметрию. Кроме того, поскольку сила взаимодействия между соседними зазорами зависит от их плотности и межрасстояния, влияние геометрической фрустрации на оптический отклик матрицы также можно модулировать, изменяя как размер наноэлементов, так и шаг массив.

    Исследования геометрической зависимости плазмонного отклика массивов наночастиц и наноструктур уже проводились различными группами 6 10 . Первоначально в большинстве исследований использовалась фундаментальная связь через промежутки между близко расположенными простыми структурами. Однако в нескольких работах изучалась зависимость отклика системы от симметрии решетки и, в частности, возбуждение мод более высокого порядка из-за взаимодействия между низкоэнергетическими и высокоэнергетическими модами внутри этих решеток 8 .Например, Хамфри и Барнс исследовали диски Ag на стеклянных подложках в нескольких решетках с периодами порядка локализованных поверхностных резонансов (LSR) частиц, обнаружив поверхностные решеточные резонансы (SLR) для всех типов решеток, хотя дифракционный край был одинаковым для всех 6 . Го и др. . проанализировали реакцию наночастиц Ag в зависимости от угла падения возбуждения, обнаружив заметно отличающуюся дисперсию экстинкции, которая зависела от поляризации падающей волны 7 .

    Кроме того, в последнее время в центре внимания находятся совершенные плазмонные поглотители в связи с их возможным применением в фотовольтаике, датчиках и т. д. 11 13 . Было доказано, что использование конфигурации металл-изолятор-металл (MIM) полезно для получения широкополосного отклика, локализованного поглощения или неугловой зависимости. Например, Чен и др. . 8 исследовал реакцию нанодисков Au в конфигурации MIM с тонким слоем изолятора (толщиной 28 нм) таким образом, чтобы локализованные поверхностные плазмоны (LSP) и поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) могли соединяться.Они обнаружили, что, хотя резонансы из-за LSP существенно не изменились, на моды SPP определенно повлияла решетка, поскольку сотовая решетка имеет самые богатые характеристики поглощения 8 . Стоит отметить, что вышеупомянутые исследования сосредоточены только на изучении SLR. Однако здесь мы делаем еще один шаг и используем множественную связь для получения расширенного временного отклика 14 . Хотя о времени жизни около 50 fs уже сообщалось в других решетках 15 , наш подход имеет то преимущество, что релаксация оптических возбуждений происходит за счет эхо-возбуждения SLR-мод в течение значительно более длительного времени, чем в решетках без фрустрации. В частности, в этой статье мы сравниваем плазмонные свойства различных гексагональных массивов с размерами шага порядка частоты плазмонного резонанса. Решетки образованы наноэлементами Au, такими как стержни, диски и звездочки, где моды SLR заметны на всем временном отклике системы. Мы показываем, что это поведение проявляется и в других конфигурациях без треугольной симметрии, таких как квадратный массив стержней.

    Дизайн

    На рисунке показана конструкция шестиугольного массива дисков из золота (рис.), сотовый массив стержней Au (рис. ) и шестиугольный массив звездочек Au, образованный тремя пересекающимися стержнями (рис. ). Наши структуры устроены таким образом, что благодаря малому зазору между ними элементы сильно взаимодействуют через ближнепольную связь со своими ближайшими соседями. Вместо того, чтобы оптимизировать каждый случай, массивы были выбраны так, чтобы их размеры были сопоставимы (см. рис. ). Кроме того, мы исследовали структуры с MIM-конфигурацией, где прокладка была установлена ​​на толщину в четверть длины волны для достижения максимального поглощения вокруг плазмонного резонанса при нормальном падении благодаря интерференции, как и ожидалось из классической теории электромагнитных волн 16 . На рисунке показан пакет, поверх которого размещен массив: в качестве подложки используется Si, поверх которого последовательно размещены слои Au и SiO 2 толщиной 100 нм. Внеплоскостная толщина структур во всех трех случаях составляет 30 нм.

    Шестиугольные массивы. ( a ) Шестиугольный массив дисков диаметром 450 нм. ( b ) Сотовый массив стержней размером 450 нм × 45 нм. ( c ) Шестиугольный массив звездочек, образованный пересекающимися стержнями размером 450 нм × 45 нм. ( d ) Наложение трех массивов, показывающее их сопоставимые размеры.( e ) Конструкция подложки для всех решеток: подложка Si со слоем Au толщиной 100 нм и слоем SiO 2 толщиной 100 нм, поверх которого размещены наноэлементы Au толщиной 30 нм.

    Результаты моделирования и обсуждение

    Моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) было выполнено с помощью пакета Lumerical FDTD Solutions 17 для получения данных о поглощении, распределении электрического поля и заряда, а также эволюции системы во времени.

    Гексагональная решетка дисков

    Для изучения влияния геометрической фрустрации на оптический отклик упорядоченного массива плазмонных наноэлементов гексагональная решетка дисков размещена в вершинах равносторонних треугольников, образующих массив (см.) был изучен. Эту решетку также можно рассматривать как две сдвинутые сотовые решетки. На рисунке показаны спектры поглощения для трех случаев, соответствующих дискам диаметром 200 (синий), 400 нм (черный) и 450 нм (красный), все они имеют одинаковую толщину (30 нм) и фиксированное расстояние между центрами 500 нм. соседних дисков. Таким образом, мы рассчитываем охватить все возможные случаи, от структур, которые сильно связаны посредством взаимодействия в ближнем поле, до систем со слабо взаимодействующими соседними элементами.

    Шестиугольные массивы. ( a ) Схема шестиугольной решетки дисков, где серой линией показана область моделирования, черными линиями показаны оси x и y , а также изображена поляризация входящей волны. ( b ) FDTD смоделировал спектры поглощения трех гексагональных решеток дисков диаметром 200 (синий), 400 нм (черный) и 450 нм (красный), все три с одинаковым шагом и толщиной 500 нм и 30 нм, соответственно. ( c ) log(| E | 2 /| E 0 | 2 ) и ( d ) распределения зарядов для пиков в случай, взятый при z  = 15 нм, как раз на половине толщины наноэлементов, являющихся началом координат ( z  = 0), расположенным в верхней части диэлектрического слоя.

    Все спектры имеют аналогичные характеристики: низкоэнергетический широкий пик и два более острых высокоэнергетических пика в видимой области электромагнитного (ЭМ) спектра, которые имеют тенденцию накладываться друг на друга по мере увеличения зазора между дисками. Широкий пик в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК) сильно зависит от диаметра структур, смещаясь от ок. 2373 до ок. 1931 и 874 нм при уменьшении диаметра дисков с 450 до 400 и 200 нм соответственно и уменьшении зазоров между соседними дисками.

    Пространственные распределения обоих электрических полей в логарифмическом масштабе, log(|E|2/|E0|2), где | Е | электрическое поле и | E 0 | — приходящее поле, а заряд, соответствующий длинам волн пиков для дисков диаметром 450 нм на рис. , показан на рис. , соответственно. Электрическое поле БИК-мод сосредоточено в горизонтальных промежутках между дисками и связано с дипольным возбуждением этих промежутков, соответствующий пик которых уширен за счет эффекта затухания.Это согласуется с наблюдаемым сильным смещением БИК-пика в зависимости от диаметра диска и, следовательно, зазора между соседними структурами. Наоборот, для высшей энергетической моды электрическое поле в горизонтальных промежутках почти полностью подавлено, а максимумы располагаются в наклонных промежутках (под углом к ​​электрическому полю возбуждающего импульса). Соответствующие более острые и высокоэнергетические пики спектра поглощения гораздо меньше зависят от диаметра диска и, по-видимому, являются зеркальными модами, усиленными из-за полости, образованной стопкой МИМ. Конструктивная интерференция приводит к высоким пикам поглощения (99,4% при 539 нм, 99,3% при 548 нм и 98,7% при 598 нм для систем диаметром 450, 400 и 200 нм соответственно). Стоит отметить, что корпус диаметром 450 нм демонстрирует практически идеальное поглощение (98,4%) также при 722 нм.

    Известно, что геометрически фрустрированные магнитные системы демонстрируют флуктуации по большому числу квазивырожденных состояний, что приводит к медленной динамике намагниченности 18 20 .Следовательно, временная эволюция оптического отклика системы также анализируется, чтобы увидеть, могут ли фрустрации диполярных возбуждений промежутков между соседними элементами привести к аналоговому поведению.

    На рисунке показана величина электрического поля во времени в двух характерных точках решетки, изображенных на вставках. При возбуждении системы световым импульсом длительностью всего около 8 фс система остается активной более 70 фс. Кроме того, временная эволюция в двух характерных точках на рис. следует осциллирующее медленное затухание, очень похожее для обоих случаев, но с более высокой амплитудой в горизонтальных промежутках (параллельно электрическому полю импульса возбуждения), как и можно было ожидать.

    ( a ) Спектральное распределение величины электрического поля, нормализованное к полю возбуждения, |E|2/|E0|2, как функция длины волны (вверху слева) и изменение величины во времени электрического поля (вверху справа), оба рассчитаны в черных точках, изображенных на вставках.Данные соответствуют массивам дисков Au диаметром 200 (синий), 400 нм (черный) и 450 нм (красный) с межцентровым расстоянием 500 нм и толщиной 30 нм для падающей волны перпендикулярно к плоскости xy с электрическим полем, параллельным оси x . ( b ) Моментальные снимки временной эволюции log(| E | 2 /| E 0 | 2 ) для случая 400 нм =  566 z 5 z относительно плоскости xy , являющейся началом координат ( z  = 0), расположенным в верхней части диэлектрического слоя. Время, соответствующее снимкам 1–5, составляет 10,0, 10,5, 11,4, 12,5 и 13,0 фс соответственно.

    Чтобы лучше понять эволюцию системы во времени, на рис.  показаны некоторые характерные снимки последовательной эволюции во времени log(|E|2/|E0|2). Источником возбуждения является импульс, падающий в направлении, перпендикулярном плоскости xy решетки, и с электрическим полем, параллельным оси x. В результате система колеблется между ближнепольными конфигурациями (панели 1 и 5), где электрическое поле усиливается в промежутках вдоль оси x , и поверхностными модами решетки (панель 3), где диполярное возбуждение горизонтальные зазоры подавляются.Амплитуда колебаний во времени величины электрического поля в значительной степени возрастает по мере сужения зазоров между соседними дисками, и в то же время обостряется и растет высокоэнергетический пик в спектральных распределениях. Это поразительное следствие усиления взаимодействий ближнего поля во всей системе.

    Сотовый массив стержней

    Другой реализацией плазмонного устройства с треугольной симметрией является сотовый массив, состоящий из удлиненных стержней, расположенных по краям шестиугольников в середине сотовой решетки (см.). Фактически эту решетку можно рассматривать как две взаимопроникающие шестиугольные решетки. Стоит отметить, что эта решетка имеет три сходящихся в каждом узле стержня, что несовместимо с простой дипольной поляризацией стержней аналогично случаю спинового льда 3 , 4 . По сравнению с предыдущим случаем можно извлечь выгоду из эффекта громоотвода 21 и вызвать большее усиление электрического поля. В то же время зазоры между соседними структурами более выражены по сравнению с гексагональной решеткой дисков, а связь в ближнем поле между ними является более направленной и ограниченной.

    ( а ) Схема сотовой решетки из брусков. Серой линией показана область моделирования, черными линиями показаны оси x и y , а также изображена поляризация входящей волны. ( b ) Спектры поглощения для решеток с шагом 1500 нм, шириной 45 нм и толщиной 30 нм и различной длины: 300 нм (синий), 350 нм (черный) и 400 нм (красный). ( c ) log(| E | 2 /| E 0 | 2 ) и ( d ) распределение заряда в меченой решетке 400 см стержней, как для III-нм стержней в ( b ) при z  = 15 нм, что является началом координат ( z  = 0), расположенным в верхней части диэлектрического слоя.

    На рисунке показана схема сотовой решетки из брусков. На рисунке показаны спектры поглощения для трех частных случаев с 1500 нм/45 нм/30 нм (шаг/ширина/толщина) и различной длиной: 300 нм (синий), 350 нм (черный) и 400 нм (красный). В отличие от предыдущего случая, эта система представляет довольно острый пик в БИК, соответствующий диполярному возбуждению полос с почти идеальным поглощением (см. рис., III). Этот пик соответствует режиму, при котором все бруски демонстрируют диполярную поляризацию, что приводит к распределению электрического поля, которое по существу ограничено промежутками между брусками с большей интенсивностью, чем в случае дисков (см. , III). Это согласуется с синим сдвигом, наблюдаемым в пике NIR при уменьшении длины столбцов (см. рис. ). Геометрическое расстройство гексагональной решетки для диполярного возбуждения щелей ясно видно из распределения заряда трех стержней, сходящихся к каждой вершине, когда возбуждается эта низкоэнергетическая мода: два наклоненных стержня показывают накопление заряда на их концах с знак, противоположный знаку в конце горизонтального для каждого перекрестка (см. рис., III). Примечательно, что это поведение сильно напоминает расположение магнитных зарядов, наблюдаемое в магнитных решетках спинового льда 22 , 23 .Пики, обозначенные буквой I на рис., имеют ту же природу, что и первые, но с более высоким порядком поляризации столбцов, и, следовательно, они также смещаются в синий цвет по мере увеличения зазоров. Стоит отметить, что возбуждение этой высокоэнергетической моды, вероятно, стало возможным благодаря эффектам запаздывания, связанным с относительно большой длиной стержней по сравнению с длиной волны электромагнитной волны.

    Это согласуется с нашим предположением о том, что наличие стержней вместо дисков может привести к направленной связи и более сильному усилению электрического поля.Тем не менее, отклик в видимом диапазоне менее интенсивен, чем у дисков, показывая острые пики без какой-либо заметной зависимости от длины полосы, но слабое поглощение. Этот более острый пик соответствует диполярному возбуждению вдоль горизонтальных полос и своего рода диполярному возбуждению наклонных полос в поперечном направлении, но измененному на концах из-за ограничения соединения трех полос. Это приводит к накоплению зарядов одного знака в двух наклонных стержнях и противоположного знака в горизонтальном (см., II). В результате на карте электрического поля видны большие лепестки усиления электрического поля, окружающие наклонные столбцы (см. рис., II). Эти моды в видимом диапазоне, демонстрирующие усиление электрического поля далеко за пределами щелей, относят к SLR.

    Анализируя временной отклик системы (см. рис. ), мы наблюдаем, что эволюция напряженности поля в промежутках очень похожа на эволюцию дисков с медленным спадом напряженности, который длится более 70   фс. Анализируя кадры таймлапса (см.), аналогично гексагональной решетке дисков, состояние системы изменяется квазипериодически между НСР, где электрическое поле сосредоточено в зазорах, и НСР, где электрическое поле усиливается вокруг длинных краев стержней и почти подавлены в промежутках. Кроме того, примечательно, что в определенные моменты времени в центре шестиугольников происходит заметное усиление электрического поля. Интересно, что при размещении детектора в самом центре решетки (рис., нижние панели) несмотря на то, что усиление электрического поля на самом деле мало, основные вклады в спектральное распределение приходятся на видимый диапазон и соответствуют возбуждениям SLR, которые все еще светятся после относительно длительного времени.

    ( a ) Электрическое поле как функция длины волны (спектральное распределение) (слева) и времени (справа) для характерных черных точек, показанных на вставках. ( b ) Кадры, соответствующие временной эволюции log(|E|2/|E0|2) на z  = 15 нм, являющейся началом координат ( z  = 0), расположенным в верхней части диэлектрического слоя .Снимки 1–4 соответствуют моментам времени 8,1, 8,3, 9,1 и 10,0 фс соответственно.

    Эти результаты хорошо согласуются с ранее опубликованным ответом гексагональной решетки звездочек 5 , который также показывает широкую полосу в NIR, связанную с диполярным возбуждением промежутков между соседними звездочками и модами более высокого порядка, лежащие на видимом, связанные с коллективными модами, индуцированными упорядоченным массивом (см. рис. ).

    Спектры поглощения, смоделированные FDTD, для гексагональной решетки звездочек с размерами 500 нм/450 нм/45 нм/30 нм (шаг/длина/ширина/толщина).На вставке показана схема решетки, черными линиями показаны оси 90 725 x 90 726 и 90 725 y 90 726 и изображена поляризация приходящей волны.

    В целом, у нас есть система, которая демонстрирует почти идеальное поглощение в ближней ИК-области и сильное усиление электрического поля в течение времени, намного превышающего продолжительность падающего импульса, хотя отклик в видимом диапазоне умеренный. Однако последнее можно улучшить за счет оптимизации геометрических параметров элементов и толщины диэлектрической прокладки.

    Другие решетки с геометрической фрустрацией

    Геометрическая фрустрация для диполярного возбуждения не исключает треугольных решеток, поскольку моделирование других решеток также показывает аналогичное взаимодействие между модами SLR и LSR. Здесь мы представляем случай квадратного массива стержней (см. вставку на рис. ). На рисунке показаны спектры поглощения для массивов 500 нм/45 нм/30 нм (шаг/ширина/толщина) и длин в диапазоне от 375 до 450 нм. Для всех длин массив представляет собой широкий пик в ближней ИК-области спектра и более острые пики в видимой области, что также видно в сотовой решетке.Это связано с тем, что полная сегнетоэлектрическая поляризация массива геометрически затруднена перпендикулярной ориентацией стержней двух взаимопроникающих квадратных решеток, образующих массив. Однако интересно отметить уменьшение поглощения в видимом диапазоне для 450 нм, когда зазор между перпендикулярными и горизонтальными полосами мал, что приводит к более сильному разочарованию. Когда промежутки расширяются, связь в ближнем поле в промежутках уменьшается, а поглощение в БИК увеличивается.

    ( a ) FDTD смоделировал спектры поглощения нескольких квадратных решеток стержней (схема решетки на вставке), 500 м/45 нм/30 нм (шаг/ширина/толщина) и различной длины: 375 нм (черный ), 400 нм (темно-синий) и 450 нм (светло-синий).( b ) log(|E|2/|E0|2) (верхние цветные панели) и распределение заряда (нижние серые панели) решетки стержней 375 нм для пиков, обозначенных как I-II в a при z  = 15 нм, являющееся началом координат ( z  = 0), расположенным в верхней части диэлектрического слоя. ( c ) Электрическое поле как функция длины волны (спектральное распределение) (слева) и времени (справа) в центре элементарной ячейки, изображено черной точкой на вставке.

    На рисунке показано пространственное распределение электрического поля (log(|E|2/|E0|2)) (верхние панели) и заряда (нижние панели) для случая 375 нм, соответствующее максимальному поглощению, обозначенному как I-II. на рис., показывающий дипольную поляризацию горизонтальных полос для моды с самой низкой энергией по сравнению с более сложным возбуждением системы для пика в видимом диапазоне.

    Более того, временная характеристика этой решетки, показанная на рис. , также демонстрирует поведение, аналогичное наблюдаемому в треугольных решетках. Это связано с ортогональным расположением наноэлементов в каждой вершине решетки. Сосуществование этих соединений двух хорошо ориентированных стержней (параллельных линейно поляризованному источнику возбуждения) и двух стержней, перпендикулярных последнему (следовательно, более трудных для возбуждения), также приводит к взаимодействию между локализованными модами с диполярным возбуждением. промежутков и коллективных мод массива.

    Следовательно, геометрическая фрустрация проявляется в оптическом отклике плазмонной матрицы, когда промежутки между соседними наноэлементами не выровнены вдоль уникальной пространственной оси. В этом случае дипольная связь между соседними структурами не может выполняться одновременно для всех из них. Это, очевидно, имеет место не только для треугольных массивов, но и для многих других массивов, таких как, например, квадратная решетка из прямоугольных стержней. Однако мы хотели бы подчеркнуть, что усиление возбуждения коллективных мод в треугольных массивах может быть значительно больше из-за присущей геометрической несовместимости диполярных возбуждений и осей симметрии третьего порядка.

    Экспериментальные результаты и их обсуждение

    Был изготовлен набор образцов треугольной симметрии в МИМ-конфигурации с спейсерным слоем SiO 2 толщиной 100 нм и наноструктурами толщиной 20 нм. На все образцы наносился слой хрома толщиной 0,5 нм в качестве усилителя адгезии элементов к подложке. Электронно-лучевая литография (EBL) была выбрана для быстрого прототипирования для изучения влияния различных геометрий на плазмонный отклик.

    На рисунке показан один пример изготовленных массивов для каждого типа решетки и соответствующие им спектры экстинкции (1- R T , R — коэффициент отражения, T — коэффициент пропускания и T  = 0) спектры. измерено с помощью спектрофотометра FTIR (инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье), прикрепленного к оптическому микроскопу в режиме отражения.Оптический отклик звездочек можно разделить на два режима: в видимой части можно выделить интенсивные узкие пики, а в ближней ИК части наблюдается широкий пик. Экспериментальные спектры (рис.) качественно согласуются с модельными спектрами (рис. и ). Модуляцию широкого пика в БИК можно объяснить экспериментальными несовершенствами структуры, такими как небольшие отклонения в размерах, и некоторыми другими производственными дефектами, такими как наличие элементов, соединенных с некоторыми из их соседей, округлые формы, неравномерная толщина элементы и т.д.Для сотовой решетки основным отличием от моделирования является более высокая интенсивность пиков в видимой области, что может быть связано с другим размером элемента и, следовательно, с другим откликом резонатора MIM, чем для моделируемого случая. Наконец, для решетки звездочки два пика в видимом диапазоне схлопываются в один, что, по-видимому, является следствием адгезионного слоя вместе с естественным расширением пиков по сравнению с моделированием из-за таких дефектов, как шероховатость. Однако, несмотря на все эти различия, измерения показывают хорошее согласие с моделированием FDTD.

    ( A C ) SEM-микрофотографии и ( D F ) FTIR Extinction (1- R T и с T = 0) Спектры при неполяризованном свете для шестиугольная решетка из дисков с шагом 500 нм ( a , d ), сотовая решетка из стержней с шагом 1500 нм ( b , e ), шестиугольная решетка из звездочек с шагом 500 нм ( c , f ), все они изготовлены в конфигурации MIM с толщиной SiO 2 100 нм и металлизированы с использованием 0.5 нм Cr и 20 нм Au.

    Выводы

    Таким образом, мы исследовали оптический отклик четырех типов массивов плазмонных наноэлементов, трех с треугольной симметрией и одного с квадратной симметрией, все они демонстрируют особенности, которые являются следствием геометрической фрустрации для диполярного возбуждения. за счет ближнепольных взаимодействий промежутков между соседними наноэлементами.

    Изучаемые здесь геометрические формы демонстрируют идеальные пики поглощения, которые настраиваются с помощью параметров конструкции.В то время как гексагональная решетка дисков показывает два высоких пика поглощения в видимой области, а сотовая решетка показывает высокое поглощение только в ближней ИК-области, массив звездочек и квадратная решетка из полос обеспечивают почти идеальное поглощение как в видимой, так и в ближней ИК-области. Полоски и звездочки легче поляризовать, что приводит к более сильному ограничению электрического поля внутри зазоров по сравнению с дисками, которые должны быть очень большими для достижения связи в ближнем поле за счет почти покрытия всей поверхности диэлектрика.

    Все решетки имеют расширенный временной отклик с эхо-возбуждением коллективных мод, которые остаются возбужденными в течение длительного времени из-за нарушения дипольной поляризации щелей. Следовательно, они подходят для максимизации как поглощения, так и скрытого излучения падающей электромагнитной волны, что приводит к излучению более высокой энергии на более коротких длинах волн.

    Кроме того, усиление электрического поля, связанное с оптическим откликом, происходит на большей части площади решетки с течением времени, не ограничиваясь горячими точками, как в случае с димерными антеннами, что позволяет избежать проблемы очень точное позиционирование целевых молекул 14 .В результате, хотя максимальное усиление электрического поля меньше, чем в случае димерных антенн, фрустрированные плазмонные решетки могут позволить увеличить предел обнаружения за счет взаимодействия с большим количеством биомолекул.

    В целом, делокализованный характер коллективных мод, лежащих в видимом диапазоне спектра, вместе с расширенным временным откликом делают эти системы подходящими для расширенных спектроскопий, таких как рамановская 24 или ИК 25 или фотогальванические приложения 26 .

    Методы

    Моделирование

    Моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) было выполнено с использованием пакета решений FDTD от Lumerical 17 . Во всех случаях область моделирования составляла одну элементарную ячейку. Кратковременный импульс с линейной поляризацией, параллельной оси x , вводился перпендикулярно подложке (ось z ) для возбуждения системы. Идеально согласованные слои были заданы по оси z , а для осей x и y были наложены периодические граничные условия.При моделировании для диэлектрической проницаемости Au использовались данные Johnson and Christy 27 , тогда как для SiO 2 и Si были приняты данные Palik 28 .

    Изготовление образцов

    Структуры нанометрового масштаба, образующие массивы с треугольной симметрией, были изготовлены в образцах, имеющих MIM-конфигурацию, с использованием кремниевой пластины, металлизированной 5 нм Ti в качестве промотора адгезии, и слоя Au толщиной 60 нм, действующего как зеркало, поверх на который был нанесен слой SiO 2 толщиной 100 нм с помощью плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD). Поли(метилметакрилат) (950 PMMA A2, MicroChem) наносили центрифугированием при 1200 об/мин в течение 1 минуты на подложку и отверждали при 180°C в течение 1 минуты. ЭЛС выполняли с апертурой пушки 20  мкм м, размером шага 10 нм и напряжением 20 кВ, используя Raith Two 150. Доза была зафиксирована на уровне 180  мкм Кл/см 2 и коэффициент дозы был изменен от области к области, чтобы точно настроить размер. После воздействия образец проявляли, погружая его в раствор метилизобутилкетона (МИБК) в изопропаноле (IPA) в соотношении 1:3 на 30 секунд, а затем промывали в IPA в течение 30 секунд, чтобы остановить реакцию.Электронно-лучевое испарение (ATC Orion, AJA International, Inc) использовали для металлизации образца. Наконец, отрыв был выполнен в ацетоновой ванне с ультразвуком при 40 ° C.

    Оптическая характеристика

    Спектры экстинкции (1- R ) были рассчитаны по измеренному коэффициенту отражения R и с учетом нулевого пропускания. Коэффициент отражения от пленок рассчитывали с использованием ИК-Фурье-спектрофотометра (Vertex 70, Bruker), соединенного с оптическим микроскопом (Hyperion), объективом 4X и пространственной маской.Для этого использовался неполяризованный свет.

    Благодарности

    Эта работа была поддержана испанской MINECO (MAT2015-68772-P, BES-2013-065377), испанской сетью ICTS MICRONANOFABS, частично поддерживаемой MINECO, и фондами FEDER Европейского Союза. ЯВЛЯЮСЬ. признает финансирование по соглашению о гранте Европейского исследовательского совета (ERC) 637116.

    Вклад авторов

    A.C.R. сделал моделирование и изготовил образцы. A.C.R., A.F.R., X.B. и А.Л. обсудили результаты моделирования.Ф.П.М. контролировал процесс изготовления. A.C.R., A.E. и A.M. провел оптическую характеристику. А.К.Р. и А.Л. написали рукопись при участии всех авторов. Все авторы одобрили окончательный вариант рукописи.

    Доступность данных

    Данные, полученные в ходе этого исследования, можно получить у соответствующего автора.

    Примечания

    Конкурирующие интересы

    Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Сноски

    Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Ссылки

    1. Diep, H. T. Frustrated Spin Systems , 10.1142/5697 (WORLD SCIENTIFIC, 2005).

    2. Рамирес А.П. Сильно геометрически фрустрированные магниты. Ежегодный обзор материаловедения. 1994; 24: 453–480. doi: 10.1146/annurev.ms.24.080194.002321. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]3. Мамия Х. и др. Медленная динамика в геометрически фрустрированном магнетике ZnFe2O4: универсальные черты явлений старения в спиновых стеклах. Physical Review B — Физика конденсированных сред и материалов.2014 г.: 10.1103/PhysRevB.90.014440. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]4. Ким Дж. В. и др. Метастабильные состояния в соединениях фрустрированной треугольной формы Ca 3 Co 2 x Mn x O 6 и Ca 3 Co 2 O 6. Physical Review B. 2018;98:024407. doi: 10.1103/PhysRevB.98.024407. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]5. Конде-Рубио А. и др. Геометрические расстройства в гексагональной решетке плазмонных наноэлементов. Экспресс Оптика. 2018;26:20211. doi: 10.1364/OE.26.020211. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]6. Хамфри А.Д., Барнс В.Л. Плазмонные поверхностные решеточные резонансы на массивах с различной симметрией решетки.Physical Review B. 2014; 90:075404. doi: 10.1103/PhysRevB.90.075404. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 7. Гуо Р., Хакала Т.К., Торме П. Геометрическая зависимость поверхностных решеточных резонансов в массивах плазмонных наночастиц. Physical Review B. 2017; 95:155423. doi: 10.1103/PhysRevB.95.155423. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]8. Чен Ю., Дай Дж., Ян М., Цю М. Плазмонные поглотители металл-изолятор-металл: влияние решетки. Экспресс Оптика. 2014;22:30807–30814. doi: 10.1364/OE.22.030807. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9.Ху Дж. и др. Поверхностный плазмонный резонанс в периодических гексагональных решетках серебряных нанодисков. Журнал наноматериалов. 2013;2013:1–6. doi: 10.1155/2013/838191. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 10. Вейк Г., Вуллакотт С., Барнс В.Л., Хесс О., Мариани Э. Диракоподобные плазмоны в сотовых решетках металлических наночастиц. Письма о физическом обзоре. 2013;110:106801. doi: 10.1103/PhysRevLett.110.106801. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Молет, стр. и др. . Ультратонкие полупроводниковые суперабсорберы от видимого до ближнего инфракрасного диапазона. Advanced Materials 30 , 10.1002/adma.201705876 (2018). [В паблике] 12. Чжан М., Фанг Дж., Чжан Ф., Чен Дж., Ю Х. Идеальные поглотители сверхузкой полосы на основе резонанса Фано в метаматериалах MIM. Оптические коммуникации. 2017; 405:216–221. doi: 10.1016/j.optcom.2017.07.007. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 13. Чжан С., Ван И, Ван С., Чжэн В. Идеальный поглотитель с перестройкой длины волны на основе резонансов в управляемом режиме. Прикладная оптика. 2016;55:3176. doi: 10.1364/AO. 55.003176. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15.Огие Б., Барнс В.Л. Коллективные резонансы в массивах золотых наночастиц. Письма о физическом обзоре. 2008;101:143902. doi: 10.1103/PhysRevLett.101.143902. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 16. Браун Л.В. и соавт. Золотые наноантенны в форме веера над отражающими подложками для нанобукв с усилением поверхностного инфракрасного поглощения (SEIRA). 2015;15:1272–1280. doi: 10.1021/nl504455s. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18. Фархан А. и др. Изучение гиперкубических энергетических ландшафтов в термически активных конечных искусственных системах спинового льда.Физика природы. 2013;9:375–382. doi: 10.1038/nphys2613. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 19. Морган Дж. П., Штейн А., Лэнгридж С., Мэрроуз Ч. Тепловое упорядочение в основном состоянии и элементарные возбуждения в искусственном магнитном прямоугольном льду. Физика природы. 2011;7:75–79. doi: 10.1038/nphys1853. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 20. Фархан А. и др. Прямое наблюдение тепловой релаксации в искусственном спиновом льду. Письма о физическом обзоре. 2013;111:057204. doi: 10.1103/PhysRevLett.111.057204. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 21.Урбьета М. и соавт. Эффект громоотвода атомного масштаба в плазмонных пикорезонаторах: классический взгляд на квантовый эффект. АКС Нано. 2018;12:585–595. doi: 10.1021/acsnano.7b07401. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Гиблин С.Р., Брамвелл С.Т., Холдсворт П.К.В., Прабхакаран Д., Терри И. Создание и измерение токов долгоживущих магнитных монополей в спиновом льду. Физика природы. 2011;7:252–258. doi: 10.1038/nphys1896. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 24. Du L, Zhang X, Mei T, Yuan X. Локализованные поверхностные плазмоны, поверхностные плазмонные поляритоны и их связь в двумерном металлическом массиве для SERS.Экспресс Оптика. 2010; 18:1959–1965. doi: 10.1364/OE.18.001959. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25. Нойбрех Ф., Хак С., Вебер К., Пуччи А., Гиссен Х. Инфракрасная спектроскопия с усилением поверхности с использованием резонансных наноантенн. Химические обзоры. 2017;117:5110–5145. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00743. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 26. Этуотер Х.А., Полман А. Плазмоники для улучшения фотоэлектрических устройств. Природные материалы. 2010;9:205–213. doi: 10.1038/nmat2629. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27. Джонсон П.Б., Кристи Р.В., П.Б. Джонсон Р.К.Оптические константы благородного металла. Physical Review B. 1972; 6: 4370–4379. doi: 10.1103/PhysRevB.6.4370. [CrossRef] [Google Scholar]

    28. Palik, E. D. Handbook of Optical Constants of Solids , vol. 1, 10.1016/B978-012544415-6.50002-9 (Академическое издательство, 1985).

    CrystalMaker: Технические характеристики

    Особенности программы и эксплуатационные требования.

    Системные требования Mac

    КристаллМакер 10.7 для Mac — это Universal Binary , который изначально работает на Apple Silicon (например, процессоре M1), а также на более старых компьютерах Mac на базе Intel.

    В виде связанного приложения все ресурсы программы, интерактивная справка, учебник и руководство пользователя сохраняются в одном значке приложения, что упрощает установку с помощью перетаскивания.

    • macOS 12 «Монтерей» (рекомендуется)
    • macOS 11 «Биг Сюр»
    • macOS 10.15 «Каталина»
    • macOS 10.14 «Мохаве»
    • macOS 10.13 «Высокая Сьерра»
    • macOS 10.12 «Сьерра»

    Минимальные требования:

    • Apple Silicon или Intel Mac под управлением macOS 10.12.2 «Sierra» или более поздней версии до macOS 12 «Monterey»
    • 1 ГБ свободного места на диске.
    • 4 ГБ оперативной памяти.
    Системные требования Windows

    CrystalMaker 10 для Windows распространяется в виде сжатый пакет Microsoft-Installer, готовый к автоматическому запуску.

    • Windows 11 (рекомендуется)
    • Windows 10 (рекомендуется)
    • Windows 8
    • Windows 7

    Минимальные требования:

    • 64-разрядный ПК под управлением Windows 7 или более поздней версии.
    • Видеокарта с поддержкой OpenGL 3.2 (или более поздней версии).
    • 1 ГБ свободного места на диске.
    • 4 ГБ оперативной памяти.

    Подлинное 100% собственное программное обеспечение. Не используем кроссплатформенные технологии портирования с «наименьшим общим знаменателем». Вместо этого мы разрабатываем нативные приложения для каждой платформы, используя официальные инструменты разработчика, предназначенные для использования всех преимуществ ваше оборудование и операционная система, чтобы обеспечить элегантную, богатую и бесшовный пользовательский опыт.

    Строитель молекул
    • Щелкните инструментом «Добавить атом», чтобы определить позиции новых атомов.Щелкните, удерживая клавишу Shift, чтобы одновременно добавить атом и облигация.
    • Палитра
    • Atom Picker позволяет изменить сопоставление типа атома. с помощью инструмента «Добавить атом».
    • Меню выбора содержит команды для дублирования, отсоединения, перемещать или редактировать любую группу выбранных атомов.
    • Используйте команду Relax Molecule для оптимизации вашей молекулы, с помощью сложного алгоритма Монте-Карло, который учитывает учитывать существующую связь и автоматически идентифицировать углерод гидридизация.
    • Возможность релаксации выбранной группы атомов независимо остальной конструкции: идеально подходит для работы с протяженные, макромолекулярные структуры.
    • Команда «Добавить водород». Обеспечивает минимизацию энергии для новых позиций H, оставляя остальную часть молекулы неизменной, поэтому идеально подходит для добавления Атомы H в «рентгеновскую структуру».
    Энергетическое моделирование
    • Подход силового поля с использованием потенциалы (MM3, где возможно, иначе UFF).
    • Интеллектуальный выбор потенциалов на основе связывания среда: не требует дополнительных действий пользователя.
    • Техника Монте-Карло позволяет релаксировать структуры далеко от равновесия — например, грубые, нарисованные от руки конструкции с чрезмерной длиной связи и искаженной связью углы!
    • Добавлен гибридный цикл наименьших квадратов для обеспечения большая точность на завершающих стадиях доводки.
    • Использует лучшие доступные потенциалы MM3, падающие обратно на UFF (универсальное силовое поле), где это необходимо. (параметрированные потенциалы, откалиброванные с использованием DFT, для большая точность.)
    • Обеспечивает выходную мощность, доступна в графическом виде. формируются в ходе цикла рафинирования и позже, через команду меню.
    • Расчет форм колебаний, включая частоты и смоделированный инфракрасный спектр, а также интерактивный визуализации вибраций в Vibrations Explorer.
    Кристаллическое здание
    • Создайте любую кристаллическую структуру, используя Кристалл Редактор: пробел, параметры элементарной ячейки плюс асимметричный агрегат.
    • Неограниченное количество химических агентов на сайт — например, для учета субситуативного беспорядка. Можно использовать ввод формулы (например, «T1» с Al 0,75 Si 0,25), без необходимости использования дублирующих моноатомных сайтов (например, один «T1» с Al 0.75; второе перекрытие «T1» с Si 0,25).
    • Принимает координаты в виде десятичных или дробных чисел, с автоматической проверкой синтаксиса.
    • Принимает параметры атомного смещения как изотропный параметр (U iso ), или анизотропный (U и ij ). (используются значения B ij внутренне и может быть прочитано из текстовых файлов.)
    Обработка симметрии
    • Автоматическое распознавание коротких и полных международных символы пробела для всех 230 условных spacegroups, а также все альтернативные настройки, перечисленные в Международные таблицы кристаллографии
    • Автоматическое распознавание символов Schoenflies и/или номеров пространственных групп
    • Symmetry Explorer позволяет легко перемещаться по кристаллические системы, типы решеток и пространственные группы, с опциональное отображение нестандартных настроек и подробная информация о космической группе.Космические группы могут быть поиск по номеру, краткий или полный международный символов или с использованием символов Шенфлиса.
    • Просмотр симметрии позволяет редактировать решетку типы, общие эквивалентные позиции и происхождение смещения
    • Автоматическое определение ограничений по симметрии параметры решетки (Ограничение параметра решетки опция)
    • Автоматическое определение пробелов при загрузке текстовых файлов. Обеспечивает отображение символа пробела в меню «Правка» > «Структура». диалоговое окно и вывод в файл.
    Диапазон участков
    • Скрытие атомов по положению, элементу или индивидуальному выбору
    • Настройка видимости атомов путем скрытия или изоляции групп атомов
    • Опция сферического («кластерного») отображения с контролем радиуса в реальном времени
    • Всплывающее меню Crystal Plot Range: управление в реальном времени диапазоном графика xyz
    Цвета и радиусы атомов
    • Атомы могут быть окрашены по умолчанию (тип элемента), по сайту или индивидуально (по выбору).
    • Стили атомов
    • (стили сфер или эллипсоидов) можно применять к каждому элементу, сайту или атому (например, с помощью Инспектора выбора).
    • Широкий выбор стилей, в том числе фотосферы, двухцветные, пляжные, полупрозрачные, а также многочисленные стилизованные варианты, включая квадратные (пустые), смайлики (счастливые/грустные), пунктирные, пунктирные, полосатые и т. д.
    • Определяемые пользователем радиусы сфер, включая управление шаровидными сферами.
    • Автоматическое распознавание символов элементов, соответствующих текущей глобальной таблице элементов: определяет цвета и радиусы.
    • Atoms Inspector позволяет переключаться между пользовательскими и предустановленными таблицами радиусов элементов (например, ван-дер-ваальсовыми, атомными, ионными, ковалентными)
    • Панель «Элементы» панели настроек обеспечивает редактирование глобальных спецификаций элементов, а также импорт/экспорт значений цвета/радиуса атомов.
    • «Радиусы кристаллов» Shannon & Prewitt используются по умолчанию, но их можно изменить на любую из предустановленных таблиц элементов с помощью панели настроек.
    Тепловые эллипсоиды
    • Широкий выбор трехмерных (фоторендеринг) и двухмерных (стилизованных) стилей эллипсоидов, включая сплошные, ограненные, полупрозрачные (с осями или без них), экваториальные маркировки и т. д.
    • Возможность отображать отдельные сайты или элементы в виде небольших сфер вместо эллипсоида.
    • Определяемое пользователем значение вероятности теплового эллипсоида с возможностью отображения выбранных участков в виде сфер произвольного размера (например, атомы H).
    Склеивание
    • Опция автоматического создания облигаций
    • Команда List Bonds — обеспечивает поиск облигаций и вывод полных, кратких или гистограмм вокруг указанных сайтов
    • Distance Explorer предоставляет графическую сводку расстояний в структуре между указанными участками и/или комбинациями элементов
    • Bonds Inspector позволяет контролировать индивидуальные характеристики связи, включая минимальные и максимальные расстояния для связи между парами химических элементов.
    • Можно определить первичные и вторичные связи — последние считаются межмолекулярными связями
    • Спецификации множественных связей для одних и тех же пар элементов позволяют отличить ковалентную связь от водородной (например, Н-О по сравнению с Н. ..О).
    • Широкий выбор стилей скрепления, включая цилиндрические, двойные и тройные скрепления, пунктирные, пунктирные, ленточные, двухцветные стили. Может применяться глобально (т. е. как свойство спецификации облигации) или локально (к одной или нескольким выбранным облигациям)
    • Выбор толстого или тонкого цилиндра; точный радиус зависит от минимального радиуса сферы; можно настроить в Инспекторе моделей.
    • Определяемые пользователем относительные радиусы скрепления для моделей типа «шарик и стержень» и «стержень».
    Многогранники
    • Автоматическое создание многогранников после создания связи.
    • Широкий выбор многогранных стилей, включая сплошные, полупрозрачные и гибридные стили (с шарико-стержневым/вершинным атомом).
    • Назначайте многогранные стили для каждого элемента, сайта или атома, используя всплывающие окна в Инспекторе атомов или Инспекторе выбора.
    • Опция для отображения тепловых эллипсоидов (или сфер атомов) в вершинах.
    • Вариант генерации выпуклых или вогнутых многогранников.
    • Опция отображения изогнутых граней для вогнутых многогранников (идеально подходит для MOF).
    Предустановленные типы моделей
    • Шариковый стержень
    • Палка
    • Заполнение пространства
    • Проволочный каркас
    • Тепловые эллипсоиды
    • Многогранник — включая комбинации других типов моделей (например,г., многогранники с эллипсоидами в вершинах)
    Дисплей ячейки
    • Отображение одной или нескольких элементарных ячеек.
    • Стили сплошных, пунктирных или пунктирных линий с определяемой пользователем толщиной и цветом пера.
    • Параметры «Подчеркнуть передние края»: улучшает трехмерное впечатление, различая видимые и скрытые края.
    • Полупрозрачная или непрозрачная заливка для граней ячеек.
    Поверхностное покрытие
    • Заполнение пространства, поверхность Ван-дер-Ваальса или поверхность без растворителя (с настраиваемым радиусом сферы зонда).
    • Определяемый пользователем цвет и непрозрачность
    Решетчатые плоскости
    • Несколько плоскостей решетки в любой ориентации, включая автоматическое создание плоскостей, связанных с симметрией.
    • Отображение параллельных наборов плоскостей.
    • Управление положением плоскости в режиме реального времени с помощью ползункового управления.
    • Кнопки для перемещения плоскостей на перехваты hkl или в центр модели
    Объемные данные
    • Визуализация нескольких периодических наборов 3D-данных в одном окне — с вашей моделью кристаллической структуры или без нее.
    • Импорт: форматы файлов 3ED, CASTEP, Gaussian CUBE, DEN, GRD, GULP, VASP, Voxel и XSF.
    • Изо-поверхности и изо-объемы с градиентным отображением или настраиваемыми внутренними, внешними и усеченными цветами.
    • Облака точек с переменным размером или цветовым градиентом.
    • (Несколько) плоских решетчатых срезов с переменной прозрачностью.
    • Интерактивное управление диапазоном данных с помощью ползунка «Диапазон» и предварительного просмотра его гистограммы.Дополнительная блокировка интервала позволяет быстро просматривать изо-тома. при разных пороговых значениях.
    • Укажите пределы диапазона в абсолютных или относительных единицах измерения.
    • Предварительные настройки Mode, Median, Middle, Mid-Range, Full-Range
    • Бикубическая интерполяция (передискретизация) для разреженных наборов данных.
    Атом Векторы
    • Векторы могут быть добавлены к любому выбранному атому с заданной пользователем ориентацией [UVW], цветом и длиной.
    • Выбор стилей «От атома» или «Через атом» (Вильгельм Телль)
    • Выбранные векторы можно редактировать массово , включая установку ориентации и стиля.
    • Можно импортировать несколько векторов из текстовых данных (файлы CMTX), например, для визуализации векторных полей.
    Аннотация
    • Метки атомов: тип элемента, положение или индивидуально выбранные атомы. Выбор глобальных меток сайта, химического элемента, номеров атомов или отображения z-координаты с определяемым пользователем шрифтом и позиционными настройками.
    • Этикетки для облигаций (расстояние)
    • Накладываемые текстовые поля с форматированным текстовым содержимым, включая верхние и нижние индексы.
    • Наложения линий и стрелок
    Дополнительное оборудование модели
    • Отображение осевых векторов «xyz» или «abc» в любом углу экрана или в центре.
    • Отображение легенды: с рамкой или полупрозрачной заливкой или без нее; можно перетаскивать в разные части экрана.
    • Настраиваемый цвет фона, градиентная заливка и/или фоновое изображение (импортированное из графического файла)
    Параметры визуализации
    • Модель рендеринга Фонга с полным контролем над фоновым, диффузным и зеркальным отражением от атомных сфер, связей, многогранников и поверхностей
    • До 5 источников света (рассеянный плюс 4 прожектора) с регулировкой в ​​реальном времени с помощью ползунков, мультисенсорных стереограмм и элементов управления азимутом/высотой. Включает опцию подсветки.
    • Вариант выделения многогранной рамки: тонкий, светлый, темный (с пользовательской толщиной)
    • Глубина затухания — контроль и степень
    • Профилирование глубины с управлением масштабированием в реальном времени (Mac)
    • Полупрозрачность поддерживается для всех типов моделей — CrystalMaker делает это «правильно», по сравнению с другими программами, с правильными перекрытиями и затуханиями.
    • Динамическая настройка расстояния просмотра в перспективе.
    • Графики стереопар с управлением разделением изображений и +/- угловым разделением.
    • Красно-синяя стереосистема со стереовыносом и угловым разделением.
    Инструменты для молекулярных кристаллов
    • Показать молекулярную единицу: самый быстрый способ показать одну или несколько целых молекул.
    • Показать асимметричный блок.
    • Show Molecular Cell: полное содержимое элементарной ячейки с полностью неповрежденными молекулами.
    • Ремонт «сломанных» молекул.
    • Скрыть скрученные (недовязанные) атомы
    • Скрыть молекулярные фрагменты.
    • Ремонт молекулярных фрагментов.
    • Расширить выделение на всю молекулу.
    • Изолировать молекулу (скрыть любые молекулы с невыбранными атомами).
    Инструменты выбора
    • Удерживая нажатой клавишу «Shift», щелкните инструментом «Стрелка», чтобы выбрать группы атомов.
    • Щелкните и перетащите инструмент «Стрелка», чтобы определить прямоугольное выделение.
    • Инструмент «Лассо».
    • Инструмент «Многоугольник».
    • Расширить выбор до ближайших соседей (с выбранными связями или без них).Это можно повторять итеративно, чтобы увеличить выборку.
    • Расширить выделение на все кольцо.
    • Расширить выбор на фрагмент(ы) молекулы, содержащие один или несколько выбранных атомов.
    • Расширить выбор на всю молекулу(ы), содержащую один или несколько выбранных атомов.
    • Выбор связанных с симметрией атомов или связей.
    • Изолировать или скрыть выделение.
    Интерактивное измерение
    • Экранная линейка и инструмент для определения расстояния до экрана
    • Инструмент со стрелкой обеспечивает «прокрутку» с идентификацией атомов и маркировкой связей.
    • Инспектор выбора отображает расширенную информацию об атомах/координациях/связях.
    • Инструмент Bond Distance с режимом прокрутки (привязка первого атома; прокрутка других атомов по мере обновления расстояний).
    • Инструмент «Угол связи» с режимом прокрутки (привязка первых двух атомов; прокрутка других атомов по мере обновления угла).
    • Инструмент Torsion Angle с режимом переворачивания.
    Расчет
    • Пористость.
    • Карты пористости: визуализируйте отрицательное (пустое пространство) или положительное (заполненное пространство).
    • Карты электронной плотности: моделирование кристаллов с использованием встроенных факторов атомного рассеяния и визуализация в виде облаков точек, срезов плоскости решетки, изообъемов или изоповерхностей.
    • Карты расстояний: идеально подходят для визуализации полостей и каналов.
    • Поверхность Ван-дер-Ваальса.
    • Поверхность, не содержащая растворителей, с контролем радиуса зонда в режиме реального времени.
    • Искатель полостей. Возможность автоматического добавления центроидов полости правильного размера в виде полупрозрачных сфер.
    • Центр тяжести выбранных атомов с расстояниями до центра
    • Проводник расстояний с графиками числа атомных расстояний/плотности.
    • Парные функции распределения (рентгеновские и нейтронные) с опциональным частичным P.D.F. отображать.
    • Поиск облигаций ближайших соседей: заданное пользователем расстояние поиска от указанных сайтов.Выбор подробного, краткого или гистограммного отображения на панели «Вывод» окна «Обзор».
    • Расстояния связи — с полным распространением ошибки (где применимо).
    • Расстояние от выбранных атомов до отображаемой плоскости решетки
    • Углы между указанными векторами решетки и/или нормалями плоскости решетки (диалоговое окно «Вычислить угол»)
    • Углы между любыми отображаемыми плоскостями решетки
    • Углы между молекулами
    • D-интервал.
    • Расстояние между любыми двумя параллельными плоскостями.
    • Оптимальная линия или плоскость, проходящая через выбранные атомы.
    • Объем элементарной ячейки.
    • Многогранные объемы.
    • Плотность.
    • Химическая формула.
    • Энергия (для молекулярной системы).
    • Колебательные моды (для молекулярной системы) — с необязательным выводом, включая собственные векторы и собственные значения.
    • Инфракрасный спектр (для молекулярной системы) — с обширной настройкой осей (поглощение, пропускание, увеличение/уменьшение x) и графическим дисплеем.
    • Кольцевые топологии вокруг любого выбранного атома.
    • Cavity Finder: автоматически находит все полости в вашем кристалле, размеры которых превышают указанный минимум. При желании добавляет полупрозрачную сферу правильного размера в каждую полость.
    • Molecular Centroids: упрощает сложные молекулярные кристаллы, представляя центр каждой отдельной молекулы одним (фиктивным) участком.
    Манипуляции
    • Мультитач: масштабирование, поворот; используйте жест смахивания двумя пальцами для вращения вокруг горизонтальной (X) или вертикальной (Y) осей.
    • Сенсорная панель управления поворотом и масштабированием (MacBook Pro)
    • Тактильная обратная связь для всех экранных инструментов (требуется Mac с трекпадом с принудительным касанием).
    • Управление жестами рук Leap Motion 3D (Windows): поддерживает управление одной рукой (3 оси) или двумя руками (вращение + масштабирование) с помощью контроллера Leap Motion (только версия для Windows).
    • Вращение структуры, управляемое мышью
    • Поддержка колесика мыши для вращения по осям x, y и z (через модификаторы клавиатуры)
    • Опция ускоренного вращения
    • Подушечка для поворота панели инструментов для поворота с точными угловыми шагами
    • Команда
    • Auto Rotate обеспечивает контролируемое вращение с помощью предварительно контролируемых последовательностей вращения, включая «режим покачивания» и непрерывное вращение.
    • Кнопки масштабирования панели инструментов с возможностью ускоренного масштабирования (клавиша Shift вниз).
    • Масштаб, определяемый пользователем (ввод в диалоговом окне).
    • Перемещение всей конструкции с помощью мыши (инструмент «Перемещение»).
    • Движение и вращение отдельно выбранных атомов с помощью мыши (инструмент «Стрелка»).
    • Просмотр вниз по любому вектору решетки или нормали к плоскости (команда «Установить направление просмотра»).
    • Элементы управления воспроизведением, включая Animation Scrubber для быстрого сканирования многоструктурных последовательностей и траекторий моделирования.
    Интерфейсы сенсорной панели (MacBook Pro)
    • Библиотека
    • Поворотные диски XYZ
    • Предустановленные направления просмотра
    • Масштаб, автомасштаб, автоцентр
    • Сборщик атомов
    • Ползунок анимации
    • Спин
    • Выбор режима вибрации и скруббер
    Трансформация
    • Возможность восстановить выбранную координационную среду («восстановить ближайших соседей»).
    • Объединить два или более выбранных сайта в один сайт (например, для неупорядоченной структуры).
    • Объединение нескольких структур в единый кристалл или молекулу.
    • Преобразование кристалла в молекулу (и наоборот) вариант
    • Преобразования решетки: использование матрицы преобразования 3×3 для преобразования векторов элементарной ячейки (базиса); предварительно заданные преобразования для общих операций, например, шестиугольные в примитивные (ромбоэдрические оси).
    • Поколение Supercell (и крах)
    • Визуализировать неупорядоченные узлы: преобразует структуру со «средними» атомами в суперячейку со случайно распределенными элементами/вакансиями для любых неупорядоченных узлов (например,г., Cu 0,5 Zn 0,5 ).
    • Решетчатые плоские проекции. Спроецируйте элементарную ячейку на интересующую плоскость решетки, чтобы создать новую «поверхностную ячейку».
    • Подвижное начало. Укажите новое начало в структуре или выберите один или несколько атомов и используйте центр тяжести.
    Производство кристаллов
    • Объединение нескольких структур в одно и то же окно, например, для визуализации доменов или интерфейсов.
    • Вставьте пробел в кристаллическую решетку, параллельный плоскости решетки, с заданной шириной.
    • Вставьте новые атомы в элементарную ячейку с помощью инструмента «Добавить атом».
    • Двойные атомы внутри элементарной ячейки.
    • Непосредственное редактирование координат и/или смещений любых выбранных атомов.
    • Перемещение выбранных атомов с помощью мыши или клавиатуры.
    • Изменить тип атома для любого выбранного атома.
    • Визуализируйте неупорядоченные участки с помощью интеллектуальной генерации суперячеек и переназначения типов элементов.
    Графика и видео
    • Поддержка 3D-печати.Экспорт автономных 3D-моделей, пригодных для печати, в формате файлов STL 3D (двоичный).
    • Выход COLLADA 3D. Предоставляет удобный обменный формат для преобразования в сторонние 3D-форматы. Работает с Apple iBooks Author для создания автономных, полностью вращающихся 3D-изображений для использования в iBooks на iPad или Mac.
    • Графика высокого разрешения скопирована в буфер обмена.
    • Экспорт векторной графики в PDF или EPS (Mac) или WMF (Windows).
    • Фотореалистичные пиксельные изображения TIFF, JPEG, BMP, PNG (заданные пользователем размер и разрешение) с возможностью прозрачного фона (PNG и TIFF).
    • Печать с высоким разрешением
    • Сохраняйте анимацию как видео с возможностью циклического воспроизведения вперед и назад. Вывод H.264 в формате QuickTime (Mac) или AVI (Windows).
    • Автоматическое создание видеороликов с вращающейся структурой с определяемыми пользователем шагами вращения, скоростью вращения, зацикливанием и т. д.
    Опции окна
    • Несколько окон можно открыть и упорядочить с помощью команд Мозаика и Стек.
    • Работает в полноэкранном режиме и «Пробелах» (Mac)
    • Вкладки документов (macOS Sierra или новее)
    • Несколько структур в одном окне, отображаемых в виде эскизов в списке структур.
    • Перетаскивание структур между окнами
    Ограничения программы
    (в зависимости от системного ОЗУ)
    • Неограниченное количество атомов, связей и многогранников.
    • Неограниченные размеры многогранников.
    • Неограниченное количество структур в окне.
    • Неограниченное количество уровней отмены/возврата (размер буфера отмены можно ограничить на панели настроек).
    Импорт/экспорт конструкции

    CrystalMaker обеспечивает автоматический импорт методом перетаскивания из более чем 40 различных форматов файлов — на основе стандартизированных расширения файлов или, в некоторых случаях, имена файлов (например,г., «ИСТОРИЯ» для файла DL_POLY). Автоматическое распознавание формата может быть переопределить с помощью меню «Файл» > «Открыть файл с форматированием». команда.

    Формат Экспорт Экспорт
    1. 3 и пуля;
    2. АТОМЫ
    3. CASTEP Cell &пуля;
    4. Выход CASTEP
    5. CASTEP Волюметрический
    6. CCL
    7. Chem3D Cartesian &пуля;
    8. CIF a &пуля;
    9. CMDF
    10. CMDX &пуля;
    11. CMMF
    12. CMTX &пуля;
    13. CSSR
    14. КУБ Гаусса
    15. DEN (объемный)
    16. Конфигурация DL_POLY
    17. DL_POLY Revcon
    18. DL_POLY История
    19. DMol3 «.car» &пуля;
    20. DMol3 «.arc»
    21. FDAT (CSD)
    22. GRD (объемный) &пуля;
    23. GROMACS
    24. GSAS
    25. ГАЛП
    26. ICSD
    27. ЛАМПЫ
    28. Молфиле
    29. PDB &пуля;
    30. Профиль RMC &пуля;
    31. SD-файл
    32. SHELX b
    33. STRUPLO
    34. SYSTRE C
    35. TOPAS
    36. Структура VASP
    37. Траектория VASP
    38. Объемный VASP
    39. ВЕСТА
    40. Воксель &пуля;
    41. WIEN2k &пуля;
    42. Структура XCrySDen
    43. Анимация XCrySDen
    44. XYZ &пуля;

    Примечания к импорту.

    а. CIF: импорт нескольких структур из одного файла CIF, включая тепловые параметры и параметры ошибок (где они доступны).

    б. SHELX: поддерживает файлы SHELX, состоящие из нескольких частей, с возможностью отображения составной структуры или отдельных состояний неупорядоченной модели.

    в. SYSTRE: Автоматическое цветовое отображение симметричных соединений.

    Другие форматы данных
    Import Экспорт
    1. Elements & Bullet; &пуля;
    2. Координаты
    3. Видимая координация
    4. Кристаллическая координация
    5. Структура HTML
    6. Расстояния и углы
    7. Список вибраций
    Библиотека конструкций

    CrystalMaker включает встроенный браузер/просмотрщик библиотек с примерами, справочными структурами и учебными ресурсами.Библиотека включает быстрые ссылки на документацию, недавно открытые файлы и позволяет вам добавлять свои собственные структуры (и организовывать) Коллекция «Избранное». Постоянные коллекции библиотеки включает:-

    • Примеры: ряд аннотированных структур, предназначенных для показать возможности программы.
    • Справочник: более 1200 структур, подразделяющихся на: Гибридные структуры (MOF, ZIF, клатраты), органические вещества и Неорганические вещества (в том числе более 400 породообразующих минералов).
    • Преподавание: аннотированные структуры, предназначенные для использования «из коробки» в учебных упражнениях. Включает в себя: Атомный Радиусы (Периодические таблицы элементов с ионными, ковалентными, радиусы Ван-дер-Ваальса), основные типы структур (кристаллохимические «типовые» структуры), кристаллические элементы, типы решеток, Многогранники, структурная архитектура (многоструктурные документы разработаны как самозапускающиеся анимации для объяснения сложных конструкции из простых строительных кирпичей).
    • Тематика: подборка достойных освещения структур, организованных по теме. Включает продукты питания, топливо, лекарства, наркотики (и различные другие гадости).

    Мощная команда поиска позволяет быстро находить структуры по название, примечания или химический состав. Встроенный CrystalViewer предлагает вращающийся предварительный просмотр и анимации, с полным текстурным описанием.

    Не путайте это с обычной пыльной базой данных! Это тщательно подобранная выставка материального мира с увлекательными, красочные структурные модели, которые аннотированы (часто с несколько просмотров) и готов к мгновенному отображению.

    Варианты поддержки

    CrystalMaker поставляется с полнофункциональной технической поддержкой, начиная с ресурсов поддержки, поставляемых с программа (онлайн-справка и иллюстрированное руководство пользователя в формате PDF) и включая право на первоклассную техническую поддержку для Зарегистрированные пользователи.

    • Комплексная интерактивная справочная система с указателем, Доступ к ним осуществляется с помощью контекстно-зависимых кнопок справки или команд меню.
    • Deluxe, 400-страничное полноцветное руководство пользователя в формате PDF с возможностью поиска.
    • Два учебника в формате PDF.
    • Видеотуры онлайн.
    • Онлайн-видеоуроки.
    • Центр онлайн-консультаций.
    • Первоклассная техническая поддержка для зарегистрированных пользователей на весь срок службы продукта (определяется как интервал между обновлением одной первой версии до следующей).

    ACAP1 собирается в необычную белковую решетку для деформации мембраны в несколько этапов

    Образец цитирования: Chan C, Pang X, Zhang Y, Niu T, Yang S, Zhao D, et al.(2019) ACAP1 собирается в необычную белковую решетку для деформации мембраны в несколько этапов. PLoS Comput Biol 15(7): е1007081. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081

    Редактор: Тюркан Халилоглу, Университет Богазичи, ТУРЦИЯ

    Поступила в редакцию: 25 апреля 2018 г.; Принято: 6 мая 2019 г .; Опубликовано: 10 июля 2019 г.

    Copyright: © 2019 Chan et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

    Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и в файлах вспомогательной информации.

    Финансирование: Авторы выражают благодарность за поддержку JF Национальным фондом естественных наук Китая (№ 21403182, 21376089) и Советом по исследовательским грантам Гонконга (CityU 21300014, 11306517), FS Министерством Наука и технологии (2014CB0) и Стратегическая приоритетная исследовательская программа Китайской академии наук (XDB08030202), XP от Национального фонда естественных наук Китая (31670744), YZ от Национального фонда естественных наук Китая (31470037) и к В.В.Х. Национальным институтом здравоохранения США (GM115683). Все данные ЭМ были собраны в Центре биологической визуализации (CBI, http://cbi. ibp.ac.cn), Института биофизики Китайской академии наук. Мы благодарны доктору Zhenxi Guo (CBI) за его помощь в визуализации EM. В этом исследовании использовались ресурсы Oak Ridge Leadership Computing Facility в Окриджской национальной лаборатории, которая поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США по контракту № DE-AC05-00OR22725, а также вычислительные ресурсы, поддерживаемые Special Программа прикладных исследований по супервычислениям Совместного фонда NSFC-Guangdong (вторая фаза) по гранту №U1501501 для JF. Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

    Введение

    Деформация мембран необходима для широкого спектра клеточных процессов, включая внутриклеточный транспорт, биогенез органелл, клеточное деление и подвижность клеток [1,2]. Некоторые из наиболее хорошо охарактеризованных белков, деформирующих мембрану, обладают доменом Bin-Amphiphysin-Rvs (BAR) [3–8]. Исследования того, как эта доменная структура вызывает искривление мембраны, позволили предположить два механизма. Один из способов включает строительные леса [5,9,10]. В результате димеризации домена BAR образуется изогнутая бананоподобная структура, которая затем может придавать кривизну нижележащей мембране за счет электростатических взаимодействий. Второй путь включает встраивание белка в мембрану [4,11,12]. Некоторые домены BAR обладают амфипатической спиралью, которая может вставляться в один листок мембраны, создавая асимметрию между бислоями, что приводит к индукции искривления.В последние годы более детальное понимание того, как белки BAR вызывают искривление мембраны, стало возможным благодаря исследованиям с помощью электронной микроскопии (ЭМ) высокого разрешения, которые сочетают крио-ЭМ с кристаллографией белков, что приводит к представлению на атомном уровне о том, как организованы белки BAR. в структуры более высокого порядка на мембране для индукции искривления [5,8,11,13,14]. В результате этих исследований возникла общая парадигма того, как белки BAR деформируют мембрану. Вкратце, димерная структура BAR действует как основная повторяющаяся единица, которая распространяется по своей длине посредством взаимодействий кончик к кончику, а также латерально посредством взаимодействий из стороны в сторону, собираясь в решетчатые структуры, которые выглядят как «перекрещивающиеся». нити на мембране для индукции искривления [15,16].В ряде недавних работ было показано, как домены BAR [17–19] или палочки в форме банана [20] кластеризуются, образуя каркасы на мембранах. Хотя было показано, что сборка решетки носит динамический характер, промежуточные этапы процесса сборки менее ясны.

    Недавно мы открыли другую парадигму того, как белок BAR деформирует мембрану. Подмножество белков BAR обладает доменом BAR в тандеме с доменом Pleckstrin Homology (PH). Ранние исследования показали, что домен PH в этих белках имеет решающее значение для деформации мембраны, но объяснение оставалось неуловимым [21-24]. Недавно мы решили эту загадку при изучении GTPase-активирующего белка (GAP) для ADP-рибозилирования фактора 6 (ARF6), известного как ACAP1 (Arfgap with Coil-coil, повтор Ankryin, домен PH 1). Помимо своей традиционной роли регулятора ARF6, ACAP1 также действует как эффектор ARF6 [25]. Это включает в себя ACAP1, функционирующий как белок оболочки, который деформирует эндосомальную мембрану, чтобы генерировать транспортные носители для рециркуляции на плазматическую мембрану [26-28]. Чтобы лучше понять, как ACAP1 действует в этом качестве, мы недавно провели структурные исследования тандема BAR-PH ACAP1 (ACAP1 BAR-PH ), который представляет собой минимальную часть ACAP1, достаточную для деформации мембраны.Решенная структура предполагает, что вместо домена BAR, взаимодействующего с мембраной, домен PH контактирует с мембраной. Затем мы провели функциональные исследования, чтобы показать, что петля в домене PH, вероятно, встраивается в мембрану, придавая ей кривизну. Таким образом, основным драйвером деформации мембраны для ACAP1 является не домен BAR, а его домен PH [8].

    Мы также провели исследования на основе ЭМ с высоким разрешением, чтобы понять, как ACAP1 BAR-PH организуется в решетчатую структуру более высокого порядка для достижения деформации мембраны.Результат выявил еще одно ключевое различие между тем, как ACAP1 и как обычный белок BAR деформирует мембрану. В то время как обычные домены BAR контактируют с мембраной по всей длине своей изогнутой структуры, через вогнутую сторону [29,30], только один конец димера ACAP1 BAR-PH контактирует с мембраной. Следовательно, в то время как основной повторяющейся единицей белковой решетки, образованной обычными белками BAR, является димер, тетрамер представляет собой основную повторяющуюся единицу решетки ACAP1, что достигается за счет того, что конец димера ACAP1 BAR-PH не контактирует с вместо этого мембрана взаимодействует со средней частью (аркой) другого димера, что приводит к взаимодействию «конец-к-арке» между двумя димерами с образованием тетрамера [8]. Здесь мы использовали несколько дополнительных подходов, чтобы понять, как ACAP1 собирается в эту необычную решетчатую структуру для деформации мембраны.

    Результаты

    Основные контактные области в белковой решетке ACAP1

    BAR-PH

    Ранее мы реконструировали решетку белка ACAP1 BAR-PH на тубулированных участках липосом, которая предсказывает структурную организацию, необходимую для деформации мембраны [8]. В целом, предполагается, что димер ACAP1 BAR-PH будет олигомеризоваться как в продольном, так и в поперечном направлении с образованием спиральных нитей, которые с регулярной периодичностью оборачиваются вокруг трубчатой ​​мембраны, что приводит к появлению «перекрещивающегося» вида, посредством которого ACAP1 покрывает мембрану. Рис 1а).Первоначально, внимательно изучив это расположение, мы смогли оценить три основные области белковых контактов (выделены зеленым, синим и пурпурным прямоугольниками на рис. 1а). Относительное положение этих трех интерфейсов может быть дополнительно определено при рассмотрении группы из шести смежных димеров ACAP1 BAR-PH в структуре решетки, которые состоят из двух димеров в верхней спиральной нити (определяются как положения N-2 и N- 1), два димера в средней цепи (обозначенные как положения N и N+1) и два димера в нижней цепи (обозначенные как положения N+2 и N+3) (рис. 1а).

    Рис. 1. Конфигурация частичной решетки белка ACAP1 BAR-PH .

    ( a ) Диаграмма поверхности белковой решетки ACAP1 BAR-PH в моделировании MDFF класса 1 с помеченными димерами. Три интерактивных интерфейса заключены в рамки трех цветов: зеленый для фронтальных взаимодействий (Интерфейс I), синий для взаимодействий в одном ряду (Интерфейс II) и пурпурный для обратных взаимодействий (Интерфейс III). ( b-d ) Диаграмма поверхности димеров ACAP1 BAR-PH показана голубым, оранжевым или прозрачным цветом на верхних панелях.Голубой и оранжевый цвета обозначают димеры в разных рядах. На нижних панелях некоторые димеры были сделаны прозрачными, чтобы четко показать остатки контактов для каждой взаимодействующей области. Для интерфейса I остатки контактов на димере N показаны зеленым цветом на b. Поверхность других димеров в решетке окрашена в серый цвет. Для интерфейса II контактные остатки из домена PH показаны красным, а остатки из домена BAR показаны синим в c . Контактные остатки для обратного взаимодействия показаны фиолетовым цветом в d .( e ) Карта плотности включает четыре ряда белков и наложение белковых структур ACAP1 BAR-PH до (зеленый) и после (фиолетовый) моделирования MDFF. ( fg ) Увеличенные изображения улучшенных белковых структур. (h) Сравнение кривых корреляции Фурье-оболочки (FSC). Зеленая кривая — это кривая FSC между моделью подгонки твердого тела и картой EM, а фиолетовая — кривая между уточненной моделью и картой EM.

    https://дои.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.g001

    Интерфейс I (зеленая рамка на рис. 1а) представляет собой межцепочечное взаимодействие и включает два димера верхней цепи (позиции N-2 и N-1), контактирующие с два димера средней цепи (положения N и N+1). Этот интерфейс дополнительно выделен на рис. 1b, на котором показано относительное положение одного димера в верхней цепи (N-1, окрашено в оранжевый цвет) по отношению к одному димеру в средней цепи (N, окрашено в голубой цвет). Интерфейс II (синяя рамка на рис. 1а) представляет собой взаимодействие внутри цепи и включает два соседних димера в средней цепи, взаимодействующих друг с другом (положения N и N+1).Это взаимодействие дополнительно показано на рис. 1с, где один димер (положение N, окрашено в голубой цвет) взаимодействует с другим димером (положение N+1, также окрашено в голубой цвет). Ранее мы отмечали необычный характер этого контакта, поскольку он включает взаимодействие «конец-к-дуге» между доменом PH (на конце) одного димера с доменом BAR (в средней части) другого димера. в образовании тетрамера, который также является основным повторяющимся звеном структуры решетки [8]. Интерфейс III (пурпурный прямоугольник на рис. 1а) представляет собой еще одно межцепочечное взаимодействие и включает два димера в средней цепи (положения N и N+1), взаимодействующие с двумя димерами в нижней цепи (положения N+2 и N+3). .Это взаимодействие дополнительно показано на рис. 1d, на котором относительное положение димера в средней цепи (положение N, окрашено в голубой цвет) по отношению к положению двух димеров в нижней цепи (положения N+2 и N+3, окрашены в оранжевый цвет). ) Показано.

    Наша предыдущая реконструкция решетки ACAP1 BAR-PH не достигла достаточного разрешения для идентификации специфических остатков, которые опосредуют эти три основных интерфейса контактов. Таким образом, мы изначально стремились улучшить разрешение, проводя моделирование молекулярной динамики (МД), известное как гибкая подгонка МД (MDFF).Это вычислительный подход, в котором используется моделирование МД для сопоставления атомных структур с крио-ЭМ картами плотности [31], и он успешно применялся для улучшения структурных деталей множественных макромолекулярных ансамблей [32–35]. Группа из 12 смежных белковых димеров ACAP1 BAR-PH была встроена в крио-ЭМ карту плотности (суммарно на рис. S1; разрешение карты 14 Å). В результате было проанализировано ~ 140 000 атомов белка или ~ 2 340 000 атомов всего, если также были включены растворитель и ионы.Для подбора использовали кристаллическую структуру белка ACAP1 BAR-PH (PDB: 4NSW).

    Конфигурации белков

    до (окрашены зеленым цветом) и после (окрашены пурпурным цветом) моделирования показаны на рис. 1e, а дополнительные детали типичных уточненных областей показаны на рис. 1f и 1g. Профиль корреляции Фурье-оболочки (FSC) между картой и моделью подтвердил улучшение структуры после моделирования (рис. 1h). Результат также показал, что ряд взаимодействующих остатков будет пропущен методом стыковки твердого тела (S2 Fig), и предполагается, что многие из этих остатков будут находиться в трех основных интерфейсах (S3 Fig и S1 Table).

    В более усовершенствованной структуре предполагается, что интерфейс I будет состоять из двух контактирующих областей (рис. 2а), при этом верхний из этих двух контактов выделен на рис. 2б, а нижний контакт выделен на рис. 2в, 2г и 2д. Предполагается, что для верхнего контакта несколько остатков (R236, E239, Q240, Q247 и K248) в спирали α4 домена BAR в димере N взаимодействуют с одной и той же группой остатков в димере N-1. Это взаимодействие происходит симметрично и антипараллельно, что аналогично пожатию правой руки двумя людьми. Результаты моделирования также предсказали, что остаток Q240 образует водородные связи с Q247 и K248 в этом контакте. Для нижнего контакта результаты моделирования показали, что множественные остатки (D99, h203, Q107, R118, D122, R125, D126, R129, Q150 и E154) в спирали α2 домена BAR в димере N будут взаимодействовать симметрично и в антипараллельно той же группе остатков в димере N-1. Этот контакт можно разделить на три области, обозначенные как левая (рис. 2c), центральная (рис. 2d) и правая (рис. 2e).Центральная область имеет несколько заряженных остатков (R118, E122, R125, D126, R129), при этом димер N взаимодействует симметрично и антипараллельно с димером N-1 (рис. 2c), а левая (рис. 2d) и правая (рис. 2d) Рис. 2e) области имеют несколько полярных остатков. В целом интерфейс I образован четырьмя солевыми мостиками, парами остатков E122-R125 и E122-R129, дважды в каждой димерной паре, и шестью Н-связями, остатками Q107-E154, E122-R125, E122-R129, дважды в каждая пара димеров из-за антипараллельной симметрии (суммировано в таблице 1).

    Рис. 2. Идентификация ключевых взаимодействующих пар остатков между белковыми димерами внутри белковой решетки ACAP1 BAR-PH .

    ( a , f , h ) Увеличенные изображения взаимодействующих областей. Остатки окрашены в соответствии с типами остатков, т. е. негатив: красный; Положительный: синий; Полярный: зеленый; Неполярный: белый. ( b ) Симметрично антипараллельно взаимодействующие пары остатков на интерфейсе I. ( c-e ) Другие симметрично антипараллельно взаимодействующие пары остатков на интерфейсе I.( г ) Связывающий карман из димера N+1, показанный на изображении поверхности, образует интерфейс II за счет взаимодействия с остатками из димера N. ( i ) Взаимодействующие остатки на интерфейсе III. На изображениях крупным планом пунктирные линии указывают на солевые мостики или водородные связи между заряженными остатками.

    https://doi. org/10.1371/journal.pcbi.1007081.g002

    Предполагается, что интерфейс II создается частью домена BAR в димере N+1, образующим связывающий карман, и частью PH домен в димере N, образующий петлю, которая вставляется в связывающий карман (рис. 2f).В частности, предполагается, что часть спирали α0 (остатки с 1 по 20) домена BAR в димере N+1 образует связывающий карман, в то время как предполагается, что остатки с 276 по 282 домена PH в димере N образуют карман для связывания. вставочная петля (обозначенная как Loop1 и расположенная между слоями β1 и β2 домена PH). Усовершенствованная модель также предполагала некоторые специфические взаимодействия. К ним относятся солевые мостики и Н-связи, образованные остатком D6 домена BAR в димере N+1, взаимодействующим с остатком K281 домена PH в димере N.Н-связи образуются также между остатками D6 домена BAR (в димере N+1) и S277 домена PH (в димере N), а также между остатками E9 домена BAR и N278 домена PH. Кроме того, обнаружено, что вставочная петля (Loop1 в домене PH димера N) взаимодействует с частью спирали α4 (остатки 234–245) домена BAR в димере N+1. Это взаимодействие должно дополнительно стабилизировать основной контакт, описанный выше, созданный встраиванием Loop1 в димере N в связывающий карман, образованный спиралью α0 в димере N+1 (Fig. 2f).Н-связь также наблюдалась между R241 домена BAR в димере N и S277 домена PH в димере N+1 (рис. 2ж и табл. 1).

    Предполагается, что интерфейс III создается двумя α-спиралями в домене BAR димера N, взаимодействующими с доменом BAR в димере N+2 и доменом PH в димере N+3 (рис. 2h). В частности, D92 спирали α2 в домене BAR димера N образует солевой мостик и Н-связь с R236 в спирали α4 домена BAR в димере N+2 (рис. 2i и таблица S1).Другая часть спирали α2 (заряженный остаток К82) в димере N контактирует с петлей β4/β5 домена PH (заряженные остатки D310 и D311) в димере N+3 (рис. 2и).

    В целом, поскольку электростатические взаимодействия примерно на один порядок выше, чем взаимодействия Ван-дер-Ваальса, дополнительный анализ показал, что заряженные остатки на трех поверхностях должны обеспечивать основную движущую силу для белковых контактов (таблица S1).

    Функциональное подтверждение прогнозов моделирования

    Затем мы попытались подтвердить приведенные выше прогнозы с помощью функциональных исследований.Для интерфейса I мы сгенерировали три набора мутаций. Один набор нацелен на кластер сгруппированных заряженных остатков, R236, E239 и K248, которые, как было предсказано, участвуют в верхнем контакте на интерфейсе I (см. рис. 2b). Мутация этих остатков на аланины (R236A/E239A/K248A) привела к мутанту 1 (Mut1) (рис. 3а). Второй набор мутаций нацелен на другой набор заряженных остатков R118, E122, R125 и D126, которые, как было предсказано, участвуют в нижнем контакте в интерфейсе I (см. рис. 2d). Мутация этих остатков на аланин (R118A/E122A/R125A/D126A) привела к мутанту 2 (Mut2) (рис. 3а).Мы также создали мутант 3 (mut3), который объединил мутации в Mut1 и Mut2 (R118A/E122A/R125A/D126A/R236A/E239A/K248A) (рис. 3а). Для интерфейса III мы нацелились на предсказанное критическое взаимодействие между остатком D92 в домене BAR одного димера и остатком R236 в домене BAR другого димера (см. рис. 2i). Мутация этих остатков на аланин (D92A/R236A) привела к образованию мутанта 4 (Mut4) (рис. 3а).

    Рис. 3. Исследования мутагенеза для оценки связывания с мембраной и табуляции in vitro и эндоцитарной рециркуляции in vivo .

    ( a ) Местоположение мутаций, указанное в структуре ACAP1 BAR-PH (PDB: 4NSW), окрашено в пурпурный цвет. Интерфейсы, задействованные в сборке более высокого порядка ACAP1 BAR-PH , обведены пунктирными линиями. Указаны мутации: Мутация 1, R236A/E239A/K248A; Мутация 2, R118A/E122A/R125A/D126A; Mut 3, составная мутация Mut 1 и 2, R118A/E122A/R125A/D126A/R236A/E239A/K248A; Мутация 4, D92A/R236A; Мутация 5, делеция BARPH, S277-N278-F280-K281. ( b ) Связывание мутантных форм ACAP1 BAR-PH (как указано) с липосомами оценивают с помощью анализа соосаждения и количественно определяют по результатам трех независимых экспериментов.Все планки погрешностей представляют стандартное отклонение от трех независимых экспериментов. Степень значимости включает сравнение между мутантами дикого типа и различными мутантами, при этом *p<0,01. ( c ) ЭМ-отрицательное окрашивание, визуализирующее липосомы, инкубированные либо с ACAP1 , либо без BAR-PH и его мутантов (как указано). Мутации такие же, как в ( a ), линейка масштаба представляет 200 нм, как указано. ( d ) Относительная трубчатая способность указанного белка выражается как ++++ (очень сильный), +++ (сильный), ++ (умеренный), + (слабый) или -/+ (почти ничего) .( e) Восстановление рециклирующих везикул из эндосомальной мембраны проводили путем инкубации общей мембраны клеток HeLa, обработанных siACAP1, и цитозоля HeLa, обработанного siACAP1, с добавлением цитозолей, содержащих сверхэкспрессированные мутанты ACAP1. Затем количественно определяли уровень образования везикул после инкубации. Все планки погрешностей представляют SE из трех независимых экспериментов.

    https://doi. org/10.1371/journal.pcbi.1007081.g003

    Интерфейс II было сложнее взломать.В этом контакте участвуют два димера ACAP1 BAR-PH , взаимодействующие посредством взаимодействия «конец-в-дугу» с образованием тетрамера (см. рис. 1c). Таким образом, нарушение этого взаимодействия требовало, чтобы мы нацелились только на один из двух доменов PH в димере ACAP1 BAR-PH . Ранее мы преодолели это препятствие, отметив, что ACAP1 BAR-PH димеризуется симметричным и антипараллельным образом, и эта ориентация может быть сохранена путем ковалентного связывания двух мономеров ACAP1 BAR-PH в виде «головы к хвосту». мода [8].Важно отметить, что полученный слитый белок (обозначенный как BARPH-BARPH) оказался функциональным, сохраняя способность тубулировать липосомы, сходную с таковой, наблюдаемой для дикого типа ACAP1 BAR-PH (который димеризуется за счет нековалентного взаимодействия) [8]. ]. Таким образом, для нацеливания на интерфейс II мы создали слитый димерный белок, а затем мутировали остатки S277, N278, F280 и K281 только в одном из двух доменов PH в этом слитом белке, в результате чего появился мутант 5 (Mut5) (рис. 3а).

    Затем мы занялись функциональными исследованиями.Первоначально мы исследовали связывание ACAP1 с мембраной и обнаружили, что все пять мутаций в некоторой степени нарушают привлечение ACAP1 к мембране (рис. 3b). Впоследствии мы использовали дополнительные подходы для оценки деформации мембраны с помощью ACAP1. Во-первых, мы исследовали способность ACAP1 индуцировать тубуляцию липосом, как это было сделано ранее [8], и обнаружили, что все мутации влияют на эту способность ACAP1 (рис. 3c). Мы также провели второй анализ. ACAP1 действует как белок оболочки в создании транспортных носителей для эндоцитарной рециркуляции, и мы ранее установили восстановление образования ACAP1-зависимого носителя из эндосомальной мембраны [8].Выполняя эту реконструкцию, мы подтвердили, что все пять мутантов также снижали способность ACAP1 поддерживать образование везикул из эндосомальной мембраны (рис. 3e). Мы также выполнили MD-моделирование Mut3, Mut4 и Mut5, которое выявило диссоциацию димеров из тетрамерного состояния, что привело к нарушению белковой решетки (S4 Fig). Таким образом, эти результаты подтвердили дополнительным образом, что моделирование MDFF идентифицировало ключевые сайты белок-белковых контактов, которые позволяют димерному ACAP1 собираться в решетчатую структуру более высокого порядка для деформации мембраны.

    Асимметричное связывание как энергетически выгодное состояние

    Затем мы рассмотрели возможную подсказку. В то время как мутации оказывали умеренное влияние на анализ связывания с мембраной, они проявляли более серьезные эффекты в двух анализах деформации мембраны, i) тубуляции липосом и ii) образования носителя из эндосомальной мембраны. Это несоответствие предполагает, что начальная стадия сборки решетки, которая включает рекрутирование ACAP1 на мембрану, может быть динамической и, таким образом, не может быть полностью захвачена простым анализом связывания с мембраной.Таким образом, чтобы изучить эту возможность, мы приступили к исследованиям моделирования, которые лучше подходят для захвата динамических ситуаций.

    Первоначально мы использовали алгоритм, основанный на моделировании Монте-Карло с параллельным темперированием (PTMC) [36], который исследует ориентацию, с помощью которой димер ACAP1 BAR-PH адсорбируется на отрицательно заряженной поверхности мембраны при различной плотности поверхностного заряда (SCD). и ионная сила (IS). Параметры моделирования (SCD и IS) перечислены в таблице S2.Параметры для моделирования поверхности мембраны описаны ранее [37]. Кроме того, использовалась крупнозернистая модель объединенных остатков, т. е. каждая аминокислота белка восстанавливалась до центра взаимодействия с центром на α-углероде остатка с параметрами, как описано ранее [37]. Поскольку межмолекулярные взаимодействия между заряженной поверхностью и белком важны, а внутримолекулярные взаимодействия самого белка менее важны, структура белка сохранялась жесткой.Этот подход к моделированию ранее успешно применялся для выяснения ориентации адсорбции лизоцима [36] и антител [37] на заряженных поверхностях.

    Для димера ACAP1 BAR-PH (идентификатор PDB: 5h4D), который был предсказан как нейтрально заряженный, не было значительного электростатического отталкивания с отрицательно заряженной поверхностью. Когда IS и SCD были установлены как 0,18 M и -0,127 C·m -2 соответственно, ориентация «одним концом вверх» (показана на рис. 4a) стала предпочтительной с потенциальной энергией (-303.5 кДж/моль), что ниже, чем у симметричного связывания (-274,4 кДж/моль). Мы также вручную сконструировали симметричную димерную структуру, и аналогичным образом модель асимметричного связывания более предпочтительна. Эти находки предсказали, что димер ACAP1 BAR-PH будет приближаться к мембране асимметрично, и тем самым объяснить, почему его окончательная конфигурация в решетчатой ​​структуре показывает, что только один из двух концов димера контактирует с мембраной.

    Рис. 4. Конфигурации связывания, выявленные при моделировании PTMC.

    (a-c) Результаты ПТМС ( a ) BAR-PH, ( b ) F-BAR и ( c ) N-BAR. Показаны энергетически минимизированные конфигурации системы, в которых крупнозернистые шарики окрашены в соответствии с типом остатка. Смоделированные мембраны представляли собой серые плоские поверхности. Выборки двух заданных диполей (электрического и гидрофобного) во время расчета были показаны на контурных картах. (d) Связывание мутантных форм ACAP1 BAR-PH (как указано) с липосомами оценивают с помощью анализа сопреципитации и количественно определяют.Все планки погрешностей представляют стандартное отклонение от трех независимых экспериментов. Степень значимости включает сравнение между мутантами дикого типа и различными мутантами, при этом *p<0,01. Указаны мутации: Mut 6, R147E/R148E; Мутация 7, R147A/R148A/A149/Q150A/Q151A. (e) Восстановление рециклирующих везикул из эндосомальной мембраны проводили, как показано на рис. 3e. Затем количественно определяли уровень образования везикул после инкубации. Все планки погрешностей представляют стандартное отклонение от трех независимых экспериментов. (f) ЭМ-отрицательное окрашивание, визуализирующее липосомы, инкубированные с ACAP1 или без него BAR-PH и его мутанты (как указано), шкала соответствует 200 нм, как указано. (g) Относительная трубчатая способность указанного белка представлена ​​на рис. 3d.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.g004

    Мы пытались подтвердить это предсказание двумя способами. Во-первых, мы стремились подтвердить, что моделирование PTMC точно предсказывает поведение рекрутирования белков BAR, которые были хорошо охарактеризованы.Для белка F-BAR (идентификатор PDB: 2EFK [38]) (рис. 4b), который имеет суммарные заряды -6e, электростатическое отталкивание все еще существовало из-за относительно равномерного распределения зарядов на поверхности белка и меньшего дипольного момента. В этом случае адсорбционная прочность была относительно слабой. При низкой поверхностной плотности заряда электростатические взаимодействия были аналогичны ван-дер-ваальсовым взаимодействиям. При высокой поверхностной плотности заряда преобладающими стали электростатические взаимодействия, что было обусловлено экранирующим действием ионной силы раствора на поверхностный заряд.Мы получили почти такую ​​же оптимальную ориентацию с SCD 0,007 и 0,127, которая представляла собой ориентацию «лежа на боку», вовлекающую всю длину белка, взаимодействующего с поверхностью модели. Примечательно, что этот способ взаимодействия с мембраной был предсказан ранее как промежуточная стадия сборки решетки для этого белка BAR [5]. Мы также отметили, что ключевые остатки, предположительно опосредующие связывание с мембраной, включают K56, E92, K104, Q107, K114, K122, R125, Q160, A167, Q170 и K174 (таблица S3), и ряд этих остатков уже подтвержден. предыдущими функциональными исследованиями [5,10,38].

    Для белка N-BAR (идентификатор PDB: 1X03 [12]) (рис. 4c), который имеет суммарный заряд -20e, наблюдалось значительное электростатическое отталкивание с отрицательно заряженной поверхностью, и, следовательно, сила адсорбции была значительно снижена. Однако из-за неравномерного распределения заряженных остатков на поверхности белка и экранирующего действия ионной силы сильного раствора на электростатическое отталкивание отрицательно заряженный белок все еще адсорбируется на отрицательно заряженной поверхности. С увеличением плотности поверхностного заряда адсорбция становилась сильнее.Это привело к почти такой же оптимальной ориентации с SCD = 0,007 и SCD = -0,127. В этих случаях оптимальной была ориентация «двумя концами вперед». Более того, как показано в таблице S3, ключевые остатки адсорбции были предсказаны как R174, Q175, G176, K177, I178 и E182, при этом положительно заряженные R174 и K177, взаимодействующие электростатически с отрицательно заряженной поверхностью, были предсказаны как основная движущая сила. . Примечательно, что эти прогнозы ранее также были подтверждены функциональными исследованиями [4,12].

    Затем мы использовали второй способ проверки результатов моделирования PTMC на ACAP1. Помимо предсказания асимметричного подхода к мембране с помощью ACAP1, моделирование PTMC также предсказало специфические остатки, которые имеют решающее значение для этого поведения. Эти остатки можно разделить на две области ACAP1, причем один кластер (F280, K281, D322 и E325) расположен в домене PH, а другой кластер (R147, R148, A149, Q150 и Q151) расположен в домене PH. БАР домен. Критическая роль для сгруппированных остатков в домене PH была ожидаема, т.к. наше предыдущее структурное выяснение решетки ACAP1 на мембране показало, что эта область обеспечивает единственные средства, с помощью которых решетка контактирует с нижележащей мембраной [8].Нами также были проведены функциональные исследования, которые подтвердили эту ситуацию [8]. Напротив, роль сгруппированных остатков в домене BAR была неожиданной, поскольку не наблюдалось контакта этой области с мембраной в ранее выясненной структуре решетки ACAP1 на мембране [8]. Таким образом, мы продолжили функциональные исследования, чтобы подтвердить этот неожиданный вывод.

    Мы создали два типа мутаций. Когда остатки R147 и R148 были заменены на глутаматы (R147E и R148E; Mut 6; рис. 4d), мы обнаружили, что мембранное связывание белка ACAP1 BAR-PH в некоторой степени уменьшилось (рис. 4e).Когда весь кластер был преобразован в аланины (R147A, R148A, A149, Q150A и Q151A; Mut 7; рис. 4d), связывание с мембраной влияло аналогичным образом (рис. 4e). В анализе тубуляции липосом мы обнаружили, что мутации более резко снижают деформацию мембраны с помощью ACAP1 (рис. 4f). Точно так же мы обнаружили, что эти мутации оказывали более сильное влияние на снижение восстановления образования ACAP1-зависимого эндоцитарного рециклирующего носителя (рис. 4g).

    Далее мы отметили, что эти результаты для мутантов 6 и 7 аналогичны тем, которые были показаны выше для эффектов мутантов 1-5.То есть на анализ связывания с мембраной мутации влияли лишь незначительно, в то время как на анализы деформации мембраны, тубуляции липосом и образования носителя из эндосомальной мембраны влияли более сильно. Более того, поскольку остатки в домене BAR не контактировали с мембраной в решетчатой ​​структуре ACAP1, которую мы выяснили ранее [8], коллективные соображения предполагали, что остатки домена BAR, вероятно, участвовали в контакте ACAP1 с мембраной динамическим образом. .

    Положение остатков в домене BAR также указывает на то, как может происходить это динамическое рекрутирование. В решенной структуре димера АСАР1 эти остатки расположены в непосредственной близости от остатков в РН-домене, участие которых в мембранном контакте было нами ранее документировано [8]. Более того, учитывая, что остатки в домене BAR расположены более латерально, чем эти остатки в домене PH, мы пришли к выводу, что участие остатков домена BAR приведет к тому, что димер ACAP1 первоначально контактирует с мембраной более «наклонным» образом. чем это можно было бы предсказать, если бы были задействованы только остатки в домене PH (S4 Fig).

    Димер ACAP1

    BAR-PH демонстрирует внутреннюю асимметричную динамику

    В отличие от других белков BAR, таких как PICK1 [39], образующих в растворе тетрамер или октамер, ACAP1 существует в виде димера в концентрации от 10 до 50 мкМ [8]. Затем мы обратились к фундаментальному вопросу, возникающему из предсказания того, что димер ACAP1 изначально будет контактировать с мембраной только через один из двух ее концов. Поскольку этот димер структурно симметричен, как он может вести себя асимметрично при контакте с мембраной? Чтобы получить более глубокое представление, мы затем провели дополнительные исследования моделирования.

    Первоначально мы провели несколько независимых МД-моделирования одного димера ACAP1 BAR-PH в растворе (рис. 5а). Изучая флуктуации атомов C α в белковом остове, мы обнаружили, что димер ACAP1 BAR-PH был изначально асимметричным в своей динамике. B-факторы, рассчитанные по атомному смещению остатков, указывали на относительно активные области на молекулярной поверхности домена PH (рис. 5b). Примечательно, что петли остатков в домене PH, которые облегчают взаимодействие между димером ACAP1 BAR-PH и поверхностью мембраны, также оказались динамическими при моделировании, даже когда мембрана отсутствовала.Два домена PH димера белка показали разные, но согласованные профили среднеквадратичных колебаний (RMSF) во всех трех независимых симуляциях (рис. 5c). Один из доменов PH (Ph2) всегда имел относительно большие колебания в петле 1 (остаток 276–282) (> 2,5 Å), чем другой домен PH (Ph3). Кроме того, RMSF петли 4 (остатки 322–235) в одном домене PH, служащем связующим остатком между петлей 2 и петлей 3, была выше, чем в другом домене PH. Было предсказано, что эти флуктуации нарушат связывание мембран доменом PH на одном конце димера ACAP1 BAR-PH в большей степени, чем связывание домена PH на другом конце.Обратите внимание, что исходной белковой структурой моделирования МД является кристаллическая структура 4NSW, состоящая из двух химически идентичных цепочек. В наших MD-моделированиях любой домен PH может иметь более высокое среднеквадратичное отклонение. Это явление может быть связано с аллостерическим эффектом [40]. Асимметрия RMSF согласуется с конфигурацией «один конец включен», т. е. Ph3 будет намного легче связываться с мембраной, чем Ph2.

    Рис. 5. Асимметричная вставка димера ACAP1 BAR-PH происходит во время начального рекрутирования мембраны.

    (a) Моделирование одного димера ACAP1 BAR-PH в растворителе с ионами. Домен BAR окрашен в зеленый цвет, а домен PH — в пурпурный. Ионные частицы представлены желтыми и светло-зелеными пузырьками. (б) Проекция остатков В-факторов на молекулярную поверхность РН-доменов. Величины были представлены от низкого к высокому цветом от синего до красного. Важные контактные петли отмечены стрелками. (c) Профиль RMSF двух доменов PH димера ACAP1 BAR-PH окрашен в черный и красный цвета.Ошибки (показаны тенями) были рассчитаны для трех отдельных симуляций, каждая из которых использовала траекторию 200 нс. (d) Коррелированные флуктуации атомов Cα в димере ACAP1 BAR-PH путем интегрирования первых 3 или 30 главных компонент, рассчитанных по МД-траекториям.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.g005

    Анализ основных компонентов (PCA) траекторий MD дополнительно подтвердил вышеуказанный вывод. Было обнаружено, что два мономера в димере ACAP1 BAR-PH демонстрируют разную, но коррелированную динамику даже без присутствия мембраны (рис. 5d).В первых нескольких низкочастотных модах (отсортированных по соответствующим собственным значениям в порядке убывания) введение модели поверхности мембраны изменило корреляционную матрицу флуктуаций остатка для обоих мономеров. Как правило, два мономера имели более сильную динамическую корреляцию без липидных молекул. Интеграция большего количества нормальных мод устраняла разницу между белками, независимо от наличия модельной мембраны. Проекция траекторий на первые две основные динамики белка также выявила два различных динамических состояния (рис. S7).Дальнейший анализ с использованием анализа независимых компонентов с временной задержкой (TICA) [41,42], который находит подпространство с максимальной автокорреляцией, также показывает, что два динамических состояния различимы и не зависят от незначительных изменений молекулярного силового поля (рис. S8). . Таким образом, эти находки предполагают, что дистальные области димера ACAP1 проявляют уникальную внутреннюю динамику даже в растворе, и это поведение уменьшается после того, как он подходит к мембране.

    Крио-ЭМ исследования раскрывают дальнейшую динамику сборки решетки ACAP1

    Затем мы продолжили другое направление исследований, которое дополнительно подтвердило динамическую природу, посредством которой ACAP1 собирается в структуру своей белковой решетки.Предыдущие исследования сборки белков BAR в решетчатые структуры на мембране были направлены на понимание промежуточных стадий путем изучения организации покрытия этих белков на нетрубчатой ​​части липосом, которая, по прогнозам, выявит стадию сборки решетки до ее конечной функциональной формы. [5]. Применяя аналогичную стратегию, мы сначала также наблюдали, как ACAP1 BAR-PH покрывает липосомы как на нетубулированных, так и на тубулированных участках (рис. 6а). Т.о., чтобы получить представление о промежуточной стадии сборки решетки ACAP1, мы попытались выяснить, как она организована на нетрубчатых участках липосом.

    Рис. 6. Крио-ЭМ-реконструкция и усреднение субтомограмм ACAP1 BAR-PH на липосомах in situ.

    (a) Срез криоэлектронной томограммы, показывающий покровный слой, расположенный вокруг трубчатой ​​и сферической мембран. (b) Среднее значение 233 частиц оболочки, отобранных на томограмме в виде сверху и сбоку, показывающее тетрамер ACAP1 BAR-PH и соседние частицы. Цвета радуги представляют разные значения плотности. c .

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.g006

    Усреднение субтомограммы показало, что ACAP1 на этих липосомах сформировал изогнутые плотности, которые организованы в единицы частиц длиной ~ 25 нм и шириной ~ 8 нм. . Эти частицы были окружены соседними частицами аналогичной формы, которые шли примерно параллельно (рис. 6b). Мы поместили структурную модель димера ACAP1 BAR-PH (PDB: 4CKG) на кривую карту плотности и обнаружили, что слой покрытия длиннее, чем длина (~ 16 нм) димера ACAP1 BAR-PH . Таким образом, было предсказано, что каждая единица частицы будет иметь более одного димера. Дальнейший анализ показал, что карта EM может точно совпадать с двумя молекулами димера ACAP1 BAR-PH , упакованными друг с другом посредством взаимодействий между доменом PH и доменом BAR соседнего димера белка в том же ряду (рис. 6c). Примечательно, что эти тетрамеры имеют более вытянутую форму по сравнению с тетрамерами, которые мы ранее наблюдали на тубулированных липосомах.

    В совокупности приведенные выше данные свидетельствуют о том, что димер ACAP1 BAR-PH упаковывается на плоскую мембрану (нетрубчатые части липосом) с расположением, отличным от того, которое ранее наблюдалось на изогнутой мембране (трубчатые части липосом).Таким образом, мы пришли к выводу, что обнаружили промежуточную стадию сборки решетки ACAP1 на мембране. В данном случае речь идет о тетрамерах АСАР1, уже сформировавшихся на мембране, но не достигших своей окончательной конфигурации, наблюдаемой на тубулированных участках липосом. Важно отметить, что такой результат еще больше усилил динамическую природу сборки решетки ACAP1.

    Обсуждение

    Мы использовали несколько взаимодополняющих подходов, чтобы понять, как ACAP1 собирается в необычную решетчатую структуру для деформации мембраны.Необычная организация была первоначально обнаружена в ходе исследований с высоким разрешением, структурных и на основе ЭМ [8]. Однако из-за достигнутого ранее ограниченного разрешения мы не смогли ответить на ключевой вопрос. Какие специфические белок-белковые контакты обеспечивают эту необычную организацию решетки?

    В текущем исследовании мы первоначально использовали моделирование MDFF для уточнения модели, которая предсказывала участие определенных остатков в формировании ключевых точек контакта. Природа задействованных остатков предполагает, что электростатические взаимодействия будут основным фактором сборки решетчатой ​​структуры ACAP1 BAR-PH .Также примечательно то, что ряд взаимодействующих остатков, предсказанных моделированием MDFF, был бы пропущен методом стыковки твердого тела, и, что важно, многие из этих остатков, по прогнозам, участвуют в основных контактных точках внутри решетки.

    Затем мы провели функциональные исследования, чтобы подтвердить предсказанные ключевые точки контакта. В одном анализе изучали связывание ACAP1 с мембраной, в то время как в двух других анализах оценивали деформацию мембраны под действием ACAP1, а именно тубуляцию липосом и образование носителя из эндосомальной мембраны.Хотя на все три анализа повлияли мутации предсказанных остатков, заметное различие заключалось в том, что мутации в большей степени влияли на способность ACAP1 деформировать мембрану, чем на его способность связываться с мембраной. Таким образом, учитывая также, что два анализа деформации мембраны, по прогнозам, исследуют более сложную ситуацию, чем более простой анализ связывания с мембраной, мы пришли к выводу, что ACAP1, вероятно, рекрутируется на мембрану более динамично, чем это может быть обнаружено с помощью связывания с мембраной. assay, который отслеживал более статичную ситуацию.

    Затем мы продолжили симуляционные исследования, так как они лучше подходят для динамических ситуаций. ACAP1 существует в растворе в виде димера, образующего симметричную изогнутую структуру. Однако, в отличие от обычных белков BAR, которые, как было предсказано, рекрутируются на мембрану симметрично, так как оба конца их изогнутой димерной структуры контактируют с мембраной, моделирование PTMC предсказало, что димерная структура ACAP1 будет рекрутироваться на мембрану асимметрично, имея только один из двух концов изогнутой конструкции соприкасается с мембраной.Это предсказание также предложило ключевую загадку для решения. Как симметричная структура может связываться с мембраной асимметричным образом? В ходе дальнейших исследований моделирования наши результаты предсказали, что домен PH в димере ACAP1 демонстрирует динамические флуктуации в растворе, что объясняет, почему димер ACAP1 первоначально контактирует с мембраной асимметрично.

    Ранее мы применяли более простой подход к моделированию, который позволял нам моделировать только то, как вогнутая сторона изогнутого димера ACAP1 приближается к мембране перпендикулярно. В текущем исследовании, проводя более всесторонний анализ, который исследует все углы, под которыми ACAP1 приближается к мембране, мы достигли замечательного понимания. Более простое моделирование, которое мы ранее проводили, идентифицировало ключевые остатки в домене PH как критические для связывания с мембраной. Этого и следовало ожидать, поскольку предыдущее структурное выяснение решетки ACAP1 также показало, что эти остатки участвуют в связывании с мембраной [8]. Напротив, более всесторонний анализ моделирования, который мы провели в текущем исследовании, предсказывает, что область в домене BAR также будет участвовать в ACAP1, контактирующем с мембраной, чтобы инициировать сборку решетки.Это было неожиданно, так как не наблюдалось, чтобы эта область ACAP1 контактировала с мембраной в нашем предыдущем структурном выяснении решетки ACAP1.

    Важно отметить, что расположение этих остатков домена BAR также указывает на то, как они могут динамически участвовать в контакте с мембраной. По сравнению с доменом PH, который контактирует с мембраной, предсказанные остатки в домене BAR расположены более проксимально и латерально. Таким образом, участие этих остатков в связывании с мембраной предсказывает, что изогнутая димерная структура ACAP1 будет контактировать с мембраной более «наклонным» образом.Примечательно, что такой сценарий напоминает то, как было предсказано, что обычный белок BAR подвергается сборке с образованием функциональной белковой решетки на мембране, поскольку также было предложено, чтобы его изогнутый димер сначала контактировал с мембраной через ее бок, а не перпендикулярно через ее вогнутую сторону. поверхность. Таким образом, несмотря на заметные различия в их окончательной организации решетки на мембране, где димерный ACAP1 демонстрирует асимметричный контакт с мембраной, а обычный домен BAR демонстрирует симметричный контакт с мембраной, предполагается, что оба типа решеток проходят через промежуточную стадию сборки. которые включают более боковую поверхность их изогнутой димерной структуры, вступающую в контакт с мембраной.

    Мы также продолжили другое направление исследований, которое дополнительно подтверждает динамическую природу, благодаря которой ACAP1 собирается в решетчатую структуру для деформации мембраны. Ранее мы проводили структурные и основанные на ЭМ исследования, чтобы выяснить решетчатую структуру, образованную ACAP1 на тубулированных липосомах, которая, как предполагается, представляет собой белковую организацию, деформирующую мембрану. В текущем исследовании мы дополнительно объединили структурные исследования и исследования на основе ЭМ с вычислительными подходами, чтобы раскрыть, как ACAP1 организован в нетрубчатой ​​части липосом, что, по прогнозам, поможет понять промежуточную стадию сборки решетки.Поскольку криоэлектронная томография и усреднение субтомограмм позволили предположить стадию сборки решетки, на которой тетрамеры АСАР1 образовались, но не достигли своей конечной конфигурации, наблюдаемой на тубулированных липосомах, мы заключаем, что динамическая сборка решетки АСАР1 распространяется даже на момент образования тетрамеров. Т.о., ACAP1 проявляет динамическое поведение не только на начальной стадии его рекрутирования на мембрану, но и впоследствии во время его сборки на мембране в структуру более высокого порядка для деформации мембраны.

    Методы

    Белковый препарат

    ACAP1 BAR-PH (а.о. 1–377) и различные мутанты были клонированы в плазмиду pGEX-6P-1 (GE Healthcare), экспрессированную в виде слитых белков GST-tag в клетках Escherichia coli BL21 (DE3). Клетки выращивали в среде Terrific Broth при 37°C до тех пор, пока оптическая плотность при 600 нм не достигала 1,2~1,5, а затем индуцировали при 16°C в течение 16~18 часов с помощью 0,2 мМ IPTG. Клетки собирали и повторно суспендировали в буфере PBS (140 мМ NaCl, 2,7 мМ KCl, 10 мМ Na2HPO4, 1.8 мМ Kh3PO4, pH 7,4) и лизировали ультразвуком. После центрифугирования в течение 30 минут при 15000 об/мин супернатант собирали и инкубировали с глутатион-сефарозой 4В при 4°С, а затем промывали буфером PBS. После расщепления с использованием Precision Protease (GE Healthcare) для удаления метки GST элюированные целевые белки заменяли буфером А (50 мМ Hepes, pH 7,4, 50 мМ NaCl) и хранили при -80°C. Сайт-направленные мутации выбранных остатков выполняли с помощью ПЦР с перекрытием. Для внесения мутаций только в одну субъединицу димерного BAR-PH одну копию BAR-PH встраивали в плазмиду pGEX-6P-1 без остановки, а затем другую копию с делецией (S277-N278-F280-K281) клонировали в pGEX. -6P-1-BAR-PH, для создания версии тандемного слияния Mut5 (BAR-PH-делеция) с последовательностью (GGGSGGRLGSSNSG) в качестве линкера между BAR-PH и делецией.

    Производство липосом и анализ осаждения

    Все липиды были приобретены у Avanti Polar lipids. Смеси липидов были аналогичны ранее описанным [8] и содержали 40 % фосфатидилхолина (ДОФХ), 30 % фосфатидилэтаноламина (ДОФЭ), 20 % фосфатидилсерина и 10 % L-α-фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PI(4, 5)П2). Их сушили в атмосфере газообразного азота и затем выдерживали в вакууме не менее трех часов. Сухие смеси липидов суспендировали в 50 мМ HEPES, pH 7.4, 50 мМ NaCl в течение 30 минут при 37°С, замораживали в жидком азоте и оттаивали при 37°С в течение 5 циклов и экструдировали через мембранные фильтры 0,2 мкм для получения липосом размером 200 нм. Для анализа седиментации липосомы размером 200 нм (1 мг/мл) и белки ACAP1 BAR-PH (0,2 мг/мл) инкубировали в течение 60 минут при комнатной температуре перед ультрацентрифугированием при 250000 g в течение 15 минут. Затем супернатанты и осадки подвергали анализу SDS-PAGE.

    Восстановление рециклирующих везикул из эндосомальной мембраны

    Систему восстановления проводили в основном так, как описано ранее [8].Вкратце, чтобы собрать тотальные мембраны и цитозоль, клетки HeLa инкубировали с биотин-конъюгированным трансферрином (Tf) при 4°C в течение 1 часа, а затем при 37°C в течение 15 минут, что позволяет получить пул рецептора Tf (TfR) в клеточной поверхности для накопления в ранней эндосоме, отслеживая эндосомальные мембраны. Затем клетки ресуспендировали в буфере (20 мМ HEPES, pH 7,4, 150 мМ NaCl) с последующей гомогенизацией путем пропускания через иглу 23 размера 16 раз на льду. Затем гомогенат подвергали центрифугированию для получения тотальных мембран (с ранними эндосомами, меченными биотин-конъюгированным Tf) и цитозоля.

    Для восстановления рециркулирующих везикул из эндосомальной мембраны, тотальные мембраны и цитозоль, собранные, как описано выше, инкубировали с 1 мМ GTP при комнатной температуре в течение 30 минут. Для определения уровня рециркуляции везикул, образовавшихся после этой инкубации, образец подвергали центрифугированию при 13 000 g в течение 20 минут при 4°C для получения фракции осадка (P), содержащей органелларные мембраны, и фракции надосадочной жидкости, содержащей везикулы и цитозоль. (С). Рециркулирующие везикулы были обнаружены во фракции супернатанта путем блоттинга на биотин-конъюгированный Tf с использованием стрептавидина, конъюгированного с пероксидазой хрена.

    Для оценки влияния различных мутаций ACAP1 на образование рециклирующих везикул клетки HeLa обрабатывали siRNA против ACAP1 с последующим сбором тотальных мембран и цитозоля, как описано выше. Цитозоль также собирали из клеток HeLa, которые сверхэкспрессировали различные мутантные формы myc-меченого ACAP1. Цитозоль из двух источников клеток (обработанных миРНК против ACAP1 или сверхэкспрессирующих различные мутантные ACAP1) смешивали в соотношении 9:1, соответственно, для получения физиологического уровня различных мутантных ACAP1, экспрессируемых в цитозоле.Затем полученный цитозоль инкубировали с тотальной мембраной, полученной из клеток HeLa, обработанных siRNA против ACAP1. Уровень рециркуляции везикул, образовавшихся после этой инкубации, затем оценивали путем отслеживания конъюгированного с биотином Tf, как описано выше.

    Гибкий фитинг для молекулярной динамики (MDFF)

    При моделировании использовались крио-ЭМ карты плотности одного из двух классов белковых решеток, связанных с канальцевыми мембранами различного радиуса. Система содержала ~140 000 атомов белка и ~2 340 000 атомов всего, включая растворитель.Шесть белковых тетрамеров служили базовой единицей конфигурации для моделирования MDFF. Исходные структуры белка были основаны на кристаллической структуре белка ACAP1 BAR-PH (PDB: 4NSW). Белки сольватировали в боксе с молекулами воды TIP3P [43] с 180 мМ KCl с использованием VMD [44]. В систему вводились периодические граничные условия.

    Моделирование MDFF было выполнено с использованием NAMD 2.11 [45] с силовым полем CHARMM36 [46]. Был использован временной шаг 1 фс.Расстояние отсечки составляло 10 Å для несвязанных взаимодействий. Температуру поддерживали на уровне 310 К с помощью термостата Ланжевена, соединенного со всеми тяжелыми атомами с коэффициентом затухания 5 пс -1 . В систему введены ограничения для второстепенных конструкций. Симметричные ограничения [47] также были введены для моделирования части спиральной структуры.

    Всего было сгенерировано 27 нс траектории. Только данные после достижения равновесия были взяты для дальнейшего анализа. В результате для анализа использовались последние 15 нс траекторий, если не указано иное.Все показанные величины являются усредненными значениями по окнам моделирования.

    Солевой мостик определяется как пара кислых атомов кислорода и основных атомов азота, разделенных расстоянием менее 4 Å. Водородная связь (Н-связь) определяется как пара поляризованных атомов кислорода, азота или серы, разделенных расстоянием менее 3,5 Å и образующих угол менее 30° с соседним атомом водорода. Занятость солевого мостика/H-связи определяется как процент времени, в течение которого солевой мостик/H-связь существовал на протяжении всего моделирования.

    МД (молекулярная динамика) моделирование

    Нами также были сконструированы молекулярные системы, в которых одиночный димер ACAP1 BAR-PH помещался в растворитель с ионами. Исходные структуры белка были основаны на кристаллической структуре белка ACAP1 BAR-PH (PDB: 4NSW). Системы сольватировали и ионизировали молекулами воды TIP3P [43] и 180 мМ ионами KCl с использованием VMD [44]. Введены периодические граничные условия. Было выполнено три независимых моделирования.

    Моделирование МД выполнялось с использованием пакета NAMD 2.11 [45]. Использовались молекулярные силовые поля CHARMM36 [46] или CHARMM36m [48]. Был использован временной шаг 2 фс. Электростатические взаимодействия рассчитывали методом суммы Эвальда на сетке частиц [49] с отсечкой 12 Å. Перед производственным запуском система была минимизирована по энергии, нагрета до 310 К и предварительно уравновешена путем пошагового высвобождения гармонично сдержанного белкового остова и атомов кислорода воды. Затем моделирование было продолжено в постоянном ансамбле NPT с 310 K и 1 атм.Использовались термостаты Ланжевена с коэффициентом демпфирования 0,5 пс -1 , а также поршневые баростаты Ланжевена [50] с периодом поршня 2 пс и временем демпфирования 2 пс.

    Всего было создано пять независимых траекторий длительностью 500 нс для димера АСАР1 в ионном растворителе. Только данные после достижения равновесия были взяты для дальнейшего анализа. Если не указано иное, для анализа использовались последние 200 нс данных. Все величины, представленные в этой статье, являются усредненными значениями по выбранным окнам.Профиль RMSF двух доменов PH был рассчитан по трем траекториям (с использованием силовых полей CHARMM36). Сходимость профилей RMSF была подтверждена использованием движущегося окна 50 нс, начиная с момента времени = 100, до 500 нс и отсутствием больших отклонений вдоль основных компонентов движений (S6 Fig).

    Моделирование PTMC (параллельный отпуск Монте-Карло)

    Крупнозернистая модель объединенных остатков [37] была использована для изучения предпочтительной ориентации белков домена BAR на отрицательно заряженных поверхностях при различных SCD и IS.В модели каждая аминокислота была восстановлена ​​до центра взаимодействия с α-углеродом остатка.

    Поскольку целью моделирования ПТМС является получение благоприятной ориентации белков BAR на модельных заряженных поверхностях, а также принимая во внимание, что межмолекулярные взаимодействия между белком и поверхностью важны, в то время как внутримолекулярные взаимодействия внутри самого белка менее важно, что белковые структуры оставались жесткими. Заряженные поверхности имели как ван-дер-ваальсово (ВДВ), так и электростатическое взаимодействие с белком. Чтобы имитировать бислой мембраны, поверхностям были присвоены суммарные отрицательные заряды, а SCD был рассчитан в соответствии с мембранами, принятыми в экспериментах. Упрощенная плоская модель учитывала два наиболее важных фактора, поверхностную плотность заряда и ионную силу, которые могли сделать плоскую модель разумным предсказанием ориентации белков на поверхности мембран.

    Параметры для модельных поверхностей были взяты из наших предыдущих работ [37]. Пять реплик, каждая в каноническом ансамбле, моделировались параллельно при разных температурах 310 К, 500 К, 800 К, 1500 К и 2500 К, что обеспечивало достаточное энергетическое перекрытие между соседними репликами, чтобы можно было принять обмен конфигурациями.Обмен производился каждые 500 циклов.

    Исследованы адсорбция и предпочтительная ориентация белков пяти BAR-доменов при различных ИС и СКД. Угол ориентации (θ) используется для количественной характеристики ориентации адсорбированных белков на поверхности, которая определяется как угол между единичным вектором нормали к поверхности и единичным вектором вдоль диполя белка. Значение косинуса этого угла (cosθ) вычислялось для каждой возможной ориентации. Затем были определены ориентация и соответствующая предпочтительная конфигурация каждого белка на разных заряженных поверхностях при различной ионной силе.Также было рассчитано направление диполя. Также были рассчитаны полная потенциальная энергия (U tot ), потенциальная энергия VDW (U VDW ), электростатическая потенциальная энергия (U ele ) и cosθ каждого белка, адсорбированного на поверхности при различных SCD и IS.

    Моделирование Монте-Карло (МК) в каждой реплике проводилось в боксе 30 нм × 30 нм × 30 нм. Первоначально белок помещали на 10 нм над поверхностью со случайной ориентацией. Во время моделирования белок транслировался и вращался вокруг своего центра масс.Смещение каждого перемещения было скорректировано для обеспечения коэффициента приемлемости 0,5. Всего было проведено 15×10 6 циклов МС, из которых первые 5×10 6 циклов для равновесия и еще 10×10 6 циклов для производства. Кроме того, 310K — это целевая температура.

    Электронная микроскопия с отрицательным окрашиванием

    ACAP1 BAR-PH и мутантные белки (1 мг/мл) инкубировали с липосомами (0,5 мг/мл) в течение 60 минут, а затем смесь наносили на покрытую тлеющим разрядом угольную ЭМ сетку и окрашивали уранилом. ацетат.ЭМ-сетки исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (FEI Tecnai20 или Talos), а микрофотографии записывали с помощью камеры Gatan UltraScan1000 CCD с номинальным увеличением 9600X или с помощью камеры FEI Ceta с номинальным увеличением 13500X.

    Криоэлектронная томография и усреднение субтомограмм

    Подготовка образцов для криоэлектронной томографии была такой же, как описано ранее [8]. И сбор томографических данных был таким же, как описано ранее [8].Наклонные изображения были выровнены с помощью Markerauto[51]. Томограммы были реконструированы с использованием взвешенной обратной проекции (WBP) 37 . Для получения средних результатов вручную было отобрано и вырезано 976 отдельных частиц с использованием IMOD 36 . выравнивание было создано путем усреднения всех частиц в случайных ориентациях [52] и уточнено с использованием RELION 1.4 [53]. Затем модель подвергали низкочастотной фильтрации до 60 Å перед тем, как подвергнуть ее обработке PEET 37 для дальнейшего уточнения.Окончательная процедура STA была выполнена с использованием PEET после итеративного этапа углового уточнения. Следует отметить, что параметру flgWedgeWeight в PEET было присвоено значение 0, чтобы включить информацию в отсутствующий сегмент. Конечный шаг поиска угла Эйлера равен 1°. Карты Крио-ЭМ были отображены и сопоставлены с атомными моделями с использованием UCSF Chimera[54].

    Дополнительная информация

    S1 Таблица. Ключевые контактирующие остатки в решетке белка ACAP1

    BAR-PH .

    Все пары остатков были суммированы из траектории MDFF класса 1, а затем извлечены из тех, которые преобладают на интерфейсе взаимодействия на S3 Рис.Энергии взаимодействия были рассчитаны с использованием инструмента VMD NAMD Energy [45]. Количество солевых мостиков/Н-связей подсчитывали и усредняли по траектории моделирования. Сокращения: Электр., электростатический; VDW, Ван-дер-Вааль.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s001

    (DOCX)

    S4 Стол. Статистика консервации остатков с использованием ConSurf (

    Исследование нуклеиновых кислот 44. W1 (2016): W344-W350).

    500 последовательностей были использованы для выборки списка гомологов, собранных из UniProt для запроса, среди которых 152 уникальные последовательности были дополнительно использованы для анализа сохранения.Баллы сохранения были рассчитаны с использованием байесовского метода и представлены уровнем сохранения (9 — консервативный, 1 — переменный). Данные MSA представляют собой количество выровненных последовательностей, содержащих аминокислоту (без пробелов), из общего числа последовательностей в каждом положении. Остатки, подвергшиеся мутации при мутагенезе, окрашивались в красный цвет.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s004

    (DOCX)

    S1 Рис. Компоненты моделирования MDFF.

    Диаграмма поверхности белковой решетки ACAP1 BAR-PH в моделировании MDFF класса 1 с помеченными димерами.Три интерактивных интерфейса заключены в рамки трех цветов: зеленый для фронтальных взаимодействий (Интерфейс I), синий для взаимодействий в одном ряду (Интерфейс II) и пурпурный для обратных взаимодействий (Интерфейс III).

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s005

    (TIF)

    S3 Рис. Все остатки контактов между белками внутри белковой решетки ACAP1

    BAR-PH .

    (a) Контактные номера для каждого остатка, окрашенного в соответствии с различными взаимодействующими областями для класса 1.Разные цвета обозначают разные взаимодействующие интерфейсы, что соответствует цветам, показанным на рис. 1. Дополнительный цвет (красный) был введен для интерфейса II и использовался для обозначения остатков димера, геометрически расположенных над соседним димером на интерфейсе. ( b ) Остаточные вклады в a были спроецированы на молекулярную поверхность димера ACAP1 BAR-PH . Соседние димеры показаны прозрачными.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s007

    (TIF)

    S4 Рис. Отклонение соседнего димера от его уточненной структуры.

    Чтобы вычислить среднеквадратичное отклонение (RMSD) мутантного белкового димера по отношению к его уточненной структуре, один из димеров из уравновешенного мутантного тетрамера MD был приведен в соответствие с его уточненной структурой, полученной в результате моделирования MDFF, которое также служил исходной структурой для моделирования МД мутированного тетрамера. Было проведено три независимых моделирования с мутациями, указанными в экспериментах и ​​показанными разными цветами.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s008

    (TIF)

    S5 Рис. Моментальные снимки рекрутирования димера BAR-PH на мембрану из моделирования MD и PTMC.

    (a) Остатки в домене BAR (особенно R147 и R148) были выделены в процессе набора. Остатки R147 и R148 располагаются на дистальных концах домена BAR (изначально окрашены в синий цвет). Остатки из домена BAR, которые находились в пределах 4A от молекулы PIP2, будут явно показаны и окрашены в соответствии с их электростатическими свойствами (синий для положительных, красный для отрицательных, зеленый для полярных и белый для гидрофобных).Молекулы PIP2, которые находились в пределах 8A от димера, также будут явно показаны. (b) Небольшая «лежачая» ориентация наблюдалась для домена BAR как при моделировании MD, так и при моделировании PTMC. Остатки R147 и R148 были показаны синими сферами на снимке PTMC, демонстрируя очень похожий способ контакта, наблюдаемый на снимках MD.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s009

    (TIF)

    S6 Рис. Анализ основных компонентов отдельных доменов PH.

    Все траектории длиной 500 нс использовались для расчета основных компонентов.Последние 200 нс траекторий были спроецированы на первые две главные компоненты. Цветная полоса представляет время моделирования.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s010

    (TIF)

    S7 Рис. Анализ основных компонентов траекторий, состоящих из всех доменов PH, из трех независимых МД-симуляций.

    (a) Три независимые МД-траектории были спроецированы на первые две главные компоненты. Испытания 1 и 3 были четко идентифицированы как имеющие две формы движения по первому принципу компонента динамики флуктуаций (PC1), что указывает на то, что два домена PH претерпели разную динамику.В испытании 2 не наблюдалось такой отчетливой динамики вдоль PC1, что указывает на возможность взаимозаменяемости двух динамических состояний. (b) Для ясности (PC1) был представлен стрелками на молекулярной поверхности домена PH, показанного на рис. 5b. Этот PC1 показал, что движения в остатках петли 1, петли 3 и петли 4 способствовали большей части остаточных колебаний и различают две динамики домена PH, что согласуется с профилем RMSF на рис. 5c.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s011

    (TIF)

    S8 Рис. TICA-анализ доменов PH из пяти независимых МД-симуляций.

    (a) Поверхность псевдосвободной энергии, рассчитанная по плотности образца с использованием первых двух ПК PCA. (b) Поверхность псевдосвободной энергии выборочных данных с использованием первых двух IC TICA. (c) Проекционные координаты первого IC TICA. Для каждого моделирования для анализа брались последние 200 нс (20000 кадров). Траектории двух доменов PH были объединены, чтобы получить данные из 40 000 кадров и, следовательно, всего 200 000 кадров.Силовое поле CHARMM36 использовалось для первых трех симуляций (sim-1, sim-2 и sim-3), а CHARMM36m использовалось для последних двух симуляций (sim-4 и sim-5).

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s012

    (TIF)

    S1 Фильм. Расчеты PTMC поглощения белка ACAP1 поверхностью мембраны путем размещения белка на расстоянии от мембраны.

    При моделировании PTMC использовалась случайная начальная ориентация ACAP1, результат моделирования показал, что молекула ACAP1 адсорбируется на поверхности мембраны с асимметричным связыванием.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s013

    (MOV)

    S2 Фильм. Расчеты PTMC поглощения белка ACAP1 поверхностью мембраны при введении симметричных начальных условий.

    Мы принимаем симметричную модель в качестве исходной ориентации при моделировании ПТМК, однако асимметричное связывание было обнаружено.

    https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007081.s014

    (MOV)

    Обратный словарь

    Как вы, наверное, заметили, слова для термина перечислены выше.Надеюсь, сгенерированный список слов для «термина» выше удовлетворит ваши потребности. Если нет, вы можете проверить «Связанные слова» — еще один мой проект, в котором используется другая техника (несмотря на то, что она лучше всего работает с отдельными словами, а не с фразами).

    Об обратном словаре

    Обратный словарь работает очень просто. Он просто просматривает тонны словарных определений и выбирает те, которые наиболее точно соответствуют вашему поисковому запросу. Например, если вы наберете что-то вроде «тоска по прошлому», то движок вернет «ностальгия».На данный момент движок проиндексировал несколько миллионов определений, и на данном этапе он начинает давать неизменно хорошие результаты (хотя иногда он может возвращать странные результаты). Он во многом похож на тезаурус, за исключением того, что позволяет выполнять поиск по определению, а не по одному слову. Так что в некотором смысле этот инструмент является «поисковиком слов» или конвертером предложений в слова.

    Я сделал этот инструмент после работы над «Связанными словами», который очень похож на инструмент, за исключением того, что он использует кучу алгоритмов и несколько баз данных для поиска слов, похожих на поисковый запрос.Этот проект ближе к тезаурусу в том смысле, что он возвращает синонимы для запроса слова (или короткой фразы), но он также возвращает много широко связанных слов, не включенных в тезаурус. Таким образом, этот проект, Reverse Dictionary, должен идти рука об руку с Related Words, чтобы действовать как набор инструментов для поиска слов и мозгового штурма. Для тех, кто заинтересован, я также разработал «Описывающие слова», которые помогут вам найти прилагательные и интересные описания для вещей (например, волн, закатов, деревьев и т. д.).

    Если вы не заметили, вы можете щелкнуть по словам в результатах поиска, и вам будет представлено определение этого слова (если оно доступно).Определения взяты из известной базы данных WordNet с открытым исходным кодом, поэтому огромное спасибо многим участникам за создание такого замечательного бесплатного ресурса.

    Особая благодарность авторам открытого исходного кода, использованного в этом проекте: Elastic Search, @HubSpot, WordNet и @mongodb.

    Обратите внимание, что Reverse Dictionary использует сторонние скрипты (такие как Google Analytics и рекламные объявления), которые используют файлы cookie. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с политикой конфиденциальности.

    %PDF-1.4 % 1 0 объект > эндообъект 7 0 объект /Заголовок /Тема /Автор /Режиссер /Ключевые слова /CreationDate (D:20220318233029-00’00’) /ModDate (D:20170308101527+01’00’) /PTEX.Fullbanner (Это MiKTeX-pdfTeX 2.9.6050 \(1.40.17\)) /В ловушке /Ложь >> эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект > эндообъект 4 0 объект > эндообъект 5 0 объект > эндообъект 6 0 объект > эндообъект 8 0 объект > эндообъект 9 0 объект > эндообъект 10 0 объект > эндообъект 11 0 объект > эндообъект 12 0 объект > эндообъект 13 0 объект > эндообъект 14 0 объект > эндообъект 15 0 объект > эндообъект 16 0 объект > эндообъект 17 0 объект > эндообъект 18 0 объект > эндообъект 19 0 объект > эндообъект 20 0 объект > эндообъект 21 0 объект > эндообъект 22 0 объект > эндообъект 23 0 объект > эндообъект 24 0 объект > эндообъект 25 0 объект > эндообъект 26 0 объект > эндообъект 27 0 объект > эндообъект 28 0 объект > эндообъект 29 0 объект > эндообъект 30 0 объект > эндообъект 31 0 объект > эндообъект 32 0 объект > эндообъект 33 0 объект > эндообъект 34 0 объект > эндообъект 35 0 объект > эндообъект 36 0 объект > эндообъект 37 0 объект > эндообъект 38 0 объект > эндообъект 39 0 объект > эндообъект 40 0 объект > эндообъект 41 0 объект > эндообъект 42 0 объект > эндообъект 43 0 объект > эндообъект 44 0 объект > эндообъект 45 0 объект > эндообъект 46 0 объект > эндообъект 47 0 объект > эндообъект 48 0 объект > эндообъект 49 0 объект > эндообъект 50 0 объект > эндообъект 51 0 объект > эндообъект 52 0 объект > эндообъект 53 0 объект > эндообъект 54 0 объект > эндообъект 55 0 объект > эндообъект 56 0 объект > эндообъект 57 0 объект > эндообъект 58 0 объект > эндообъект 59 0 объект > эндообъект 60 0 объект > эндообъект 61 0 объект > эндообъект 62 0 объект > эндообъект 63 0 объект > эндообъект 64 0 объект > эндообъект 65 0 объект > эндообъект 66 0 объект > эндообъект 67 0 объект > эндообъект 68 0 объект > эндообъект 69 0 объект > эндообъект 70 0 объект > эндообъект 71 0 объект > эндообъект 72 0 объект > эндообъект 73 0 объект > эндообъект 74 0 объект > эндообъект 75 0 объект > эндообъект 76 0 объект > эндообъект 77 0 объект > эндообъект 78 0 объект > эндообъект 79 0 объект > эндообъект 80 0 объект > эндообъект 81 0 объект > эндообъект 82 0 объект > эндообъект 83 0 объект > эндообъект 84 0 объект > эндообъект 85 0 объект > эндообъект 86 0 объект > эндообъект 87 0 объект > эндообъект 88 0 объект > эндообъект 89 0 объект > эндообъект 90 0 объект > эндообъект 91 0 объект > эндообъект 92 0 объект > эндообъект 93 0 объект > эндообъект 94 0 объект > эндообъект 95 0 объект > эндообъект 96 0 объект > эндообъект 97 0 объект > эндообъект 98 0 объект > эндообъект 99 0 объект > эндообъект 100 0 объект > эндообъект 101 0 объект > эндообъект 102 0 объект > эндообъект 103 0 объект > эндообъект 104 0 объект > эндообъект 105 0 объект > эндообъект 106 0 объект > эндообъект 107 0 объект > эндообъект 108 0 объект > эндообъект 109 0 объект > эндообъект 110 0 объект > эндообъект 111 0 объект > эндообъект 112 0 объект > эндообъект 113 0 объект > эндообъект 114 0 объект > эндообъект 115 0 объект > эндообъект 116 0 объект > эндообъект 117 0 объект > эндообъект 118 0 объект > эндообъект 119 0 объект > эндообъект 120 0 объект > эндообъект 121 0 объект > эндообъект 122 0 объект > эндообъект 123 0 объект > эндообъект 124 0 объект > эндообъект 125 0 объект > эндообъект 126 0 объект > эндообъект 127 0 объект > эндообъект 128 0 объект > эндообъект 129 0 объект > эндообъект 130 0 объект > эндообъект 131 0 объект > эндообъект 132 0 объект > эндообъект 133 0 объект > эндообъект 134 0 объект > эндообъект 135 0 объект > эндообъект 136 0 объект > эндообъект 137 0 объект > эндообъект 138 0 объект > эндообъект 139 0 объект > эндообъект 140 0 объект > эндообъект 141 0 объект > эндообъект 142 0 объект > эндообъект 143 0 объект > эндообъект 144 0 объект > эндообъект 145 0 объект > эндообъект 146 0 объект > эндообъект 147 0 объект > эндообъект 148 0 объект > эндообъект 149 0 объект > эндообъект 150 0 объект > эндообъект 151 0 объект > эндообъект 152 0 объект > эндообъект 153 0 объект > эндообъект 154 0 объект > эндообъект 155 0 объект > эндообъект 156 0 объект > эндообъект 157 0 объект > эндообъект 158 0 объект > эндообъект 159 0 объект > эндообъект 160 0 объект > эндообъект 161 0 объект > эндообъект 162 0 объект > эндообъект 163 0 объект > эндообъект 164 0 объект > эндообъект 165 0 объект > эндообъект 166 0 объект > эндообъект 167 0 объект > эндообъект 168 0 объект > эндообъект 169 0 объект > эндообъект 170 0 объект > эндообъект 171 0 объект > /ProcSet [/PDF /Text /ImageC /ImageB /ImageI] >> эндообъект 172 0 объект > поток xڝXK65/`»nY٤*)ruj2KEc2fv!;?_/?8.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.