Відділ створено у 2025 році на основі лабораторії біофізики макромолекул, яку очолював головний науковий співробітник, доктор фізико-математичних наук Сергій Наумович Волков. Лабораторія діяла з 2016 до 2025 року в складі відділу теорії нелінійних процесів у конденсованих середовищах. Робота лабораторії була зосереджена головним чином на дослідженні фізичних властивостей ДНК. З часом до її складу приєдналися нові співробітники, а наукова тематика значно розширилася.
Під керівництвом С.Н. Волкова протягом майже 30 років регулярно проводилися засідання Київського біофізичного товариства. Також працівники майбутнього відділу систематично організовували школи з комп’ютерної фізики ДНК, що об’єднували молодих учених і досвідчених науковців:
https://surl.li/wtiusg2025 р.
https://surl.li/qmigsk2024 р.
https://surl.li/tinwiu2023 р.
Усе це створило підґрунтя для формування в інституті окремого відділу біофізичного спрямування.
У відділі досліджуються структурні та динамічні властивості біологічних макромолекул на різних рівнях їхньої організації з метою пояснення механізмів функціонування в живій клітині та побудови новітніх наноматеріалів. В дослідженнях використовуються аналітичні моделі і методи комп’ютерного моделювання, зокрема, молекулярної динаміки і квантової хімії. Розвиваються такі напрями досліджень:
- Конформаційна механіка ДНК: механізми порогових деформацій подвійної спіралі, конформаційні коливання (С.Н. Волков, П.П. Каневська, С.М. Перепелиця).
- Взаємодія протийонів з ДНК: моделювання за допомогою методів молекулярної динаміки і теоретичних моделей структури та динаміки комплексів протийонів металів та молекулярних іонів з ДНК у водному середовищі. (С.М. Перепелиця, Т.Л. Бубон)
- ДНК як поліелектроліт: дослідження динамічних властивостей іонів металів і молекулярних іонів у водних розчинах і гелях ДНК з метою їх використання в елементах живлення. (С.М. Перепелиця, Д.В. П’ятницький, Т.Л. Бубон)
- Структура та динаміка іон-гідратної оболонки ДНК: досліджуються властивості гідратних оболонок макромолекули ДНК та протийонів для визначення їх взаємозв’язку і впливу на структурні та динамічні властивості макромолекули і впорядкування протийонів (Т.Л. Бубон, Д.В. П’ятницький, О.О. Здоревський, С.М. Перепелиця)
- Cтруктурні та динамічні властивості G-квадруплексів. (Є.С. Крячко)
- Фундаментальні проблеми квантової механіки молекул. (Є.С. Крячко)
- Металізована ДНК: дослідження структурних та динамічних властивостей комплексів іонів металів, що розташовуються між азотистими основами всередині ДНК. (С.М. Перепелиця, Є.С. Осокін)
- ДНК в конденсованому стані: застосування теоретичних моделей і методів числового експерименту для дослідження макромолекули ДНК в обмежених середовищах. (Б.С. Решотка, С.М. Перепелиця)
- Машинне навчання в моделюванні біомолекул: застосування методів машинного навчання для розробки силових полів в методі молекулярної динаміки. (В.Б. Тимчишин, С.М. Перепелиця)
- Взаємодія пероксиду водню з ДНК: моделювання структури та динаміки комплексів молекул пероксиду водню з атомними групами ДНК. (С.Н. Волков, Д.В. П’ятницький, О.О. Здоревський, С.М. Перепелиця)
Нині відділ налічує 10 наукових працівників, серед яких 3 доктори фізико-математичних наук, 3 кандидати наук, 2 доктори філософії та 2 провідні інженери.
Досліджено структуру та динаміку макромолекули ДНК в іон-гідратному середовищі та виявлено низку ефектів, що спостерігаються експериментально й мають важливе значення для практичного застосування. Зокрема, за допомогою розвинутої моделі визначено поетапний механізм конформаційних перетворень подвійної спіралі ДНК (згин, кручення та розтягування), яке може відбуватися в біологічній клітині [1].
Методами молекулярної динаміки, квантової хімії і атом-атомних потенціальних функцій показано можливу роль взаємодії молекул пероксиду водню (H2O2) зі структурними елементами ДНК у процесах терапії ракових клітин під час опромінення важкими іонами [2-4].
За допомогою методу молекулярної динаміки виявлено вплив характеру гідратації протийонів лужних металів (Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+) на їхню взаємодію з макромолекулою ДНК [5-7].
Також встановлено, що взаємодія молекулярних протийонів (путресцину2+, спермідину3+ і сперміну4+) з ДНК є специфічною до послідовності пар нуклеотидів [8].
В рамках теорії функціоналу густини доведено можливість існування нового типу водневих зв’язків у G-квадруплексах [9].
Одержані результати мають важливе значення як для розуміння фізичних механізмів функціонування ДНК, так і для розробки новітніх функціональних матеріалів на основі ДНК, перспективних для застосування в нанотехнологіях.
[1] P.P. Kanevska and S.N. Volkov. Conformation impact in the deformation of DNA TATA-box. Low Temperature Physics 48, 311 (2022); https://doi.org/10.1063/10.0009735.
[2] D.V. Piatnyskyi, O.O. Zdorevskyi, S.N. Volkov, “Interaction of hydrogen peroxide molecules with non-specific DNA recognition sites”. European Physical Journal D, v.75, 24 (2021)
[3] S.M. Perepelytsya, J. Ulicny, S.N. Volkov, “Molecular dynamics of the competitive binding of hydrogen peroxide and water molecules with the DNA phosphate groups”. European Biophysics Journal, v.50, 759 (2021)
[4] D.V. Piatnytskyi, S.N. Volkov. Complexes of hydrogen peroxide molecules with DNA nucleic bases. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 41, 24, 1-6 (2023), https://doi.org/10.1080/07391102.2023.2193986;
[5] S. Perepelytsya, Hydration of Counterions Interacting with DNA Double Helix: A Molecular Dynamics Study, Journal of Molecular Modeling 24, 171 (2018). https://doi.org/10.1007/s00894-018-3704-x
[6] T. Bubon, O. Zdorevskyi, S. Perepelytsya. Molecular dynamics study of collective water vibrations in a DNA hydration shell. European Biophysics Journal 52(1-2): 69-79 (2023). (Q2) https://doi.org/10.1007/s00249-023-01638-z
[7] Tetiana Bubon, Khatereh Azizi. Effects of alkali-metal counterions on the vibrational dynamics of the DNA hydration shell. The Journal of Physical Chemistry B. 129(1), 28–40 (2025). DOI: 10.1021/acs.jpcb.4c04449
[8] S. Perepelytsya, J. Uličný, A. Laaksonen, and F. Mocci, Pattern Preferences of DNA Nucleotide Motifs by Polyamines Putrescine2+, Spermidine3+ and Spermine4+, Nucleic Acids Research, 47, 6084-6097 (2019). https://doi.org/10.1093/nar/gkz434
[9] Kryachko, E. S., MacDougall, P. J., & Neal, S. (2024). Unravelling the hydrogen bonding patterns in telomeric G-quadruplexes: from structure to function*. Molecular Physics. https://doi.org/10.1080/00268976.2024.2390586
C.Н. Волков і С.М Перепелиця разом з Г.В. Шестопаловою нагороджені Премією НАН України імені Давидова Олександра Сергійовича за цикл «Вивчення механізмів утворення комплексів біологічно активних молекул з молекулами ДНК та білків» (2023р.).
С.Н. Волков – відзнака НАН України «За підготовку наукової зміни» (2021)
С.Н. Волков – відзнака НАН України «За професійні здобутки» (2016)
Є.С. Крячко – відзнака НАН України «За професійні здобутки» (2021)
С.М. Перепелиця - медаль від МАРТІС “Золота фортуна” (2019р.),
Ювілейна Почесна грамота НАН України (2018р.)
Співробітники відділу підтримують широке коло міжнародних наукових контактів:
- Університет Кальярі (Кальярі, Італія) • Міжнародний центр теоретичної фізики імені Абдуса Саалама (Трієст, Італія)
- Інститут макромолекулярної хімії «Петру Поні» (Яси, Румунія)
- Університет імені Павла Йозефа Шафарика в Кошицях (Кошиці, Словаччина)
- Стокгольмський Університет (Швеція)
Співробітники відділу беруть активну участь в організації наукових заходів, присвячених теоретичній біофізиці, комп’ютерному моделюванню та фізиці макромолекул. Традиційно проводяться засідання Київського біофізичного товариства та щорічні школи з комп’ютерної фізики ДНК, що сприяють обміну досвідом між молодими дослідниками та провідними науковцями з України й інших країн.
- Студентська наукова школа-семінар "Комп’ютерна фізика ДНК" Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України, 17-19 травня 2023 https://surl.li/tinwiu
- Scientific workshop for students “Computational Physics of DNA” Bogolyubov Institute for Theoretical Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, May 21-23, 2024 https://surl.li/qmigsk
- COST-COSY School CPCS-2025 "Computational Physics of Confined Systems: From Life to Material Sciences". Bogolyubov Institute for Theoretical Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, June 24-26, 2025 https://surl.li/wtiusg
д-р фіз.-мат. наук Сергій Микоалйович Перепелиця читає курси лекцій «Біофізика макромолекул» і «Комп’ютерна симуляція біологічних макромолекул» для студентів КАУ, НаУКМА та КНУ, веде семінар ІТФ ім. М.М. Боголюбова НАН України «Проблеми теоретичної фізики» для студентів, аспірантів і наукових працівників; керує науковою роботою студентів та аспірантів. Під його керівництвом було підготовлено доктора філософії Тетяну Леонідівну Бубон.
д-р фіз.-мат. наук Сергій Наумович Волков здійснює наукове керівництво й консультування молодих учених. Під його керівництвом було підготовлено канд. фіз.-мат. наук Олексія Олександровича Здоревського, а також він надавав наукову підтримку під час підготовки дисертації д-ра фіз.-мат. наук Сергія Миколайовича Перепелиці.
Доктор філософії Тетяна Леонідівна Бубон підготувала цикл практичних занять для студенів з молекулярної динаміка на основі пакетів програм NAMD та GROMACS.
к.ф.-м.н. Віталій Богданович Тимчишин читає курси для студентів: "Біоорганічна хімія" в Київській Школі Економіки; "Машинне навчання" та "Алгоритми і структури даних" в Київському Академічному Університеті; "Програмування на Python" в Київському Авіаційному Інституті.
- Відділ бере участь у виконанні проєкту фонду SIMONS Foundation (Grant SFI-PD-Ukraine-00014573).
- Частина співробітників відділу беруть участь в проєкті COST Action CA21101 (COSY).
- У відділі виконується відомча тема «Моделювання фізичних властивостей біо-нано-молекулярних систем за їх структурних перетворень» РК№0125U000263
Співробітники відділу активно популяризують науку, беручи участь у науково-популярних лекціях, міжнародних школах і семінарах, спрямованих на популяризацію сучасної теоретичної та обчислювальної біофізики. Організовуються освітні ініціативи для магістрантів і аспірантів, а також публічні лекції у форматі онлайн-трансляцій на YouTube-платформах ІТФ НАН України. Такі заходи сприяють поширенню знань про сучасні методи комп’ютерного моделювання та зміцненню взаємозв’язку між академічною наукою й освітнім середовищем.
- Проведено молекулярно-динамічні симуляції п'яти систем з ДНК, молекули води та катіонами лужних металів (Lі⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺). На основі отриманих траєкторій були розраховані коливальні спектри елементів досліджуваних систем за допомогою двох незалежних підходів, що базуються на основі автокореляційних функцій швидкостей та автокореляційних функцій дипольних моментів. Аналіз інфрачервоних спектрів ДНК у розчинах із різними солями показав, що досліджувані іони мало впливають на коливальну динаміку атомних груп ДНК. Винятком є іони Lі⁺, вплив яких спостерігається в діапазоні спектра, де лежать коливання остова подвійної спіралі. За допомогою розрахованих спектрів густини коливальних станів катіонів, що локалізовані у різних областях ДНК було виявлено вплив характеру гідратації іонів на їх коливальну динаміку. Додатково були розраховані спектри густини коливальних станів молекул води гідратних оболонок досліджуваних іонів та показано, що в отриманих спектрах спостерігається ізобестична точка, яка виникає внаслідок стерничих обмежень, які спричинені поверхнею ДНК та, також, іонами.
Т.Л. Бубон, С.М. Перепелиця
- У роботі проаналізовано проблеми спостерігача та вимірювання в квантовій механіці, окреслені П. Діраком і Дж. Беллом, на основі критичного переосмислення класичних і сучасних підходів. Запропоновано нову аналітичну модель вимірювального експерименту, що дозволяє по-новому інтерпретувати роль вимірювання та обговорено її основні наслідки.
Є.С. Крячко
- Представлено модель деформації макромолекул ДНК, що враховує як зовнішні, так і внутрішні компоненти деформації та їх взаємозв'язок. Зовнішні компоненти описують скручування та розтягування подвійної спіралі, тоді як внутрішні характеризуються відносним зсувом структурних елементів всередині пар основ подвійної спіралі. Модель передбачає взаємодію між деформаціями скручування, розтягування та внутрішньою складовою. В результаті виявлено протиінтуїтивну поведінку: під дією сили розтягування подвійна спіраль ДНК може зазнавати збільшення скручування. Дана аномальна поведінка зберігається до досягнення певної критичної сили, після якої молекула демонструє більш звичайну поведінку, розкручуючись у відповідь на подальше розтягнення. Результати підкреслюють вирішальну роль взаємодії між внутрішніми та зовнішніми компонентами в механіці подвійної спіралі під впливом прикладеної сили в діапазоні піконьютонів. Модель добре узгоджується з експериментальними даними, що підтверджує її достовірність.
П.П. Каневська, С.Н. Волков
- Проведено дослідження структури розчинів ДНК з додаванням солі LіCl на основі вимірювань їхньої електропровідності в широкому температурному інтервалі. Встановлено, що присутність ДНК суттєво знижує електропровідність розчинів LіCl та зумовлює наявність трьох характерних концентраційних областей. У першій області концентрацій (0-0,3 М) електропровідність розчинів, що містять ДНК, зростає повільніше порівняно з електропровідністю відповідних розчинів LіCl без ДНК. У другій області (0,3-0,9 М) обидві системи характеризуються майже однаковою швидкістю зростання електропровідності. У третій області (понад 0,9 М) електропровідність розчинів ДНК знову зростає істотно повільніше, ніж у чистих сольових розчинах. Виявлені закономірності якісно пояснюються в межах розробленої моделі, яка пов'язує спостережувані ефекти з упорядкуванням іонів, індукованим макромолекулою ДНК, що обмежує їхню рухливість і зменшує внесок у процеси перенесення електричного заряду. Отримані результати вказують на перспективність використання таких систем у технологіях на основі ДНК, зокрема при розробці електролітних електрохімічних джерел струму.
С.М. Перепелиця
- Проведено квантово-хімічний аналіз комплексів Ag+ з азотистими основами ДНК, включаючи зв'язування Ag+ з атомом N1 тиміну, атомами N1 та N7 гуаніну та атомом N3 5-бромцитозину. Результати виявляють чіткі закономірності, що визначають стабільність цих систем: координаційна поведінка Ag+ сильно залежить від типу нуклеотидної основи та положення донорного атома. Електронейтральні комплекси Ag+ з атомом N3 тиміну та атомом N1 гуаніну продемонстрували найвищу термодинамічну стабільність. Натомість позитивно заряджені комплекси Ag+ з атомом N1 аденіну виявилися найменш стабільними, що пояснює експериментально спостережуване "вистрибування" аденіну з подвійної спіралі в металізованій Ag-ДНК. Порівняння обчислювальних підходів, використаних у цій роботі, показує, що функціонал B3LYP у поєднанні з моделлю сольватації SMD забезпечує найбільш придатний опис комплексів Ag+-нуклеотидних основ, оскільки він систематично дає нижчі енергії утворення, ніж B3LYP/PCM, і прогнозує довжини зв'язків Ag-N більш послідовно, ніж M062X. Результати забезпечують міцну теоретичну основу для інтерпретації структурних особливостей металізованої Ag-ДНК як перспективного нанорозмірного електронного матеріалу.
Є.С. Осокін, С.М. Перепелиця
- Підготовлено огляд, присвячений іон-ДНК взаємодіям як ключовому чиннику формування структурних і функціональних властивостей ДНК. Показано роль іонів у контролі гідратації, стабільності та компактизації макромолекули, а також узагальнено їх значення для прикладних застосувань у ДНК-нанотехнологіях, біосенсориці, доставці генетичного матеріалу та наноелектроніці. Підкреслено зростаючу роль комп'ютерного моделювання у прогнозуванні властивостей і проєктуванні наноматеріалів на основі ДНК.
С.М. Перепелиця, Т.Л. Бубон, Д.В. П'ятницький
- Розширено модель Менінга на випадок двовимірного масиву паралельних заряджених молекул поліелектроліту типу ДНК. Визначено вільну енергію системи та кількість сконденсованих іонів і показано, що за певних міжмолекулярних відстаней іони набувають колективного характеру та не належать іонній атмосфері окремої молекули, що є принципово важливим для розуміння поведінки іонної атмосфери ДНК у конденсованому стані.
Б.С. Решотка, С.М. Перепелиця
- Розглянуто проблему морфологічної класифікації галактик з набору даних Galaxy Zoo DECaLS, використовуючи класичні методи машинного навчання. Показано, що більшість класичних класифікаторів досягають найвищої продуктивності в поєднанні з LLE, досягаючи точності, порівнянної з точністю простих нейронних мереж. Більше того, у випадку класифікації форми тривимірне представлення залишається інтерпретованим, на відміну від часто спостережуваної втрати інтерпретованості після нелінійних перетворень. Також досліджено кластеризацію за k-середніми у зменшеній розмірності, щоб оцінити, чи демонструють дані природну тенденцію до певної кількості кластерів. Хоча оцінка за Девісом-Боулденом вказує на незначну перевагу чотирьох кластерів, що тісно пов'язано з класифікаціями, зробленими астрономами-людьми, інші показники не підтверджують чітку структуру кластеризації.
В.Б. Тимчишин
- Запропоновано метод машинного навчання, який вводить представлення XіEff - параметризацію ефективної сприйнятливості на основі нейронного поля. Переходячи до рівняння Ліппмана-Швінгера для ближньопольової оптики, було запропоновано стратегію оптимізації для реконструкції розподілу ефективної сприйнятливості безпосередньо з даних NFІ. Оптимізоване представлення XіEff забезпечує інтерпретовану та поясниму модель форми частинки. Оцінки на синтетично згенерованому наборі даних NFІ демонструють ефективність методу, що дозволяє досягти високого рівня ІoU навіть для складних геометрій. Крім того, підхід демонструє бажану стійкість до шумів вимірювань, що є вирішальною властивістю для практичного застосування.
В.Б. Тимчишин
- Tetiana Bubon, Khatereh Azizi, Effects of alkali-metal counterions on the vibrational dynamics of the DNA hydration shell // The Journal of Physical Chemistry B., -2025-, 129(1), 28-40 https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.4c04449
- E.S. Kryachko, On Generalization of the Eigenvalue Problem in Quantum Measurement: A Measurement That Would Be Better Not To Exist // Annali d'Italia, -2025-, 63, 34-42 https://doi.org/10/5281/zenodo.14726348
- V. Semenov, V. Tymchyshyn, V. Bezguba, M. Tsizh, and A. Khlevniuk, "Galaxy morphological classification with manifold learning," Astronomy and Computing, vol. 52, p. 100 963, 2025, issn: 2213-1337. doi: https://doi.org/10.1016/j.ascom.2025.100963
- V. O. Vasylenko, I. B. Tymchyshyn, and V. B. Tymchyshyn, "Xieff representation for interpretable near-field imaging," in Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Workshops (CVPRW), 2025, pp. 4481-4486. url: https://openaccess.thecvf.com/content/CVPR2025W/PBVS/papers/Vasylenko_XiEff_Representation_for_Interpretable_Near-Field_Imaging_CVPRW_2025_paper.pdf