Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова
Національної академії наук України

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.