Aspectos estructurales y dinámicos en la relajación de sistemas complejos, con énfasis en agua líquida, sobreenfriada y nanoconfinada - Accordino, Sebastián Roberto (2014)
En esta Tesis estudiamos mediante simulaciones de dinámica molecular el comportamiento estructural y dinámico del agua pura o bulk como así también en diferentes contextos de nanocon finamiento, particularmente en sistemas biológicos y en superficies modelo como lo son una una placa de grafeno, nanotubos de carbono y monocapas autoensambladas de alcanos (SAMs). Específicamente nos interesa estudiar la relevancia del agua en la unión de proteínas y en el diseño de drogas, como así también en procesos de autoensamble de materiales sintéticos en ciencia de materiales y química supramolecular en medio acuoso. Nuestras simulaciones de agua pura (Capítulo 2) o bulk avalan y profundizan el hecho de que, tanto en el régimen de temperaturas de líquido normal como de líquido sobreenfriado, el agua está formada por zonas de alta y baja densidad local (HDL y LDL respectivamente) [140, 145, 133, 111, 142, 134, 135, 27]. Específicamente, en colaboración con el Prof. Francesco Sciortino de la Universidad de Roma, La Sapienza, exploramos la robustez y validez (para diferentes densidades y temperaturas) de un método para determinar ambos tipos de moléculas (HDL y LDL) (Subsección 2.2.1), como así también determinamos la calidad geométrica de la estructura local de las mismas. Estudiamos la dependencia con la temperatura de la fracción de moléculas estructuradas (Subsección 2.2.4) y observamos que la misma puede ajustarse con una exponencial negativa, lo cual brinda un sustento al modelo de doble estado o two state para agua propuesto por el Prof. H. Tanaka [142, 134, 135]. Por otro lado estudiamos la estructura y orientación, en función de la temperatura, del agua de hidratación de la proteína lisozima y de una superficie modelo como lo es una placa de grafeno (Capítulo 3). Observamos que el ordenamiento local tetraédrico del agua mejora con el descenso de la temperatura, y en el caso de la placa de grafeno, las primeras capas de hidratación muestran una tendencia a asemejarse estructuralmente al hielo hexagonal Ih (Subsección 3.2.2), hecho similar al que ocurre en la interfase agua-aire pero en el sentido contrario a lo largo del ejec del plano basal [86]. En cambio, en el caso de las primeras capas de hidratación de la lisozima encontramos indicios de ambos tipos de comportamientos mencionados, junto con la tendencia de algunas moléculas de agua más próximas a la superficie a formar puentes de hidrógeno con la proteína (Subsección 3.2.2). Mostramos que estas primeras capas de hidratación presentan una mejor estructura local que el bulk a temperatura ambiente, sin embargo la interfase introduce una restricción geométrica que reduce tanto la coordinación tetraédrica típica del agua bulk como la densidad local de las moléculas de agua adyacentes a la superficie. Por lo tanto dichas moléculas de agua tienden a formar tres puentes de hidrógeno con sus moléculas vecinas con el fin de lograr la máxima coordinación posible por puente de hidrógeno. Abordamos también la hipótesis de la existencia de una transición de primer orden entre las dos fases líquidas del agua propuestas (agua líquida de baja densidad local y alta densidad local, LDL y HDL respectivamente). Esta supuesta transición líquido-líquido del agua estaría dada por la continuación de la línea de coexistencia de las fases HDA y LDA (donde HDA y LDA son simplemente las correspondientes formas vítreas) en el diagrama de fases del agua líquida sobreenfriada y la cual terminaría en un segundo punto crítico del agua, un punto crítico líquidolíquido [140, 108]. La extensión de la supuesta línea de coexistencia entre estas dos fases líquidas más allá del supuesto punto crítico líquido-líquido, se conoce con el nombre de línea de Widom [87]. Así nuestras simulaciones evidencian, a través de diferentes parámetros estructurales, la existencia de una transición dinámica en el agua de hidratación, compatible con la transición líquido-líquido, incorrectamente asociada con una transición vítrea de proteínas (Subsección 3.2.3). El conocimiento desarrollado sobre el agua de hidratación nos condujo naturalmente a estudiar específicamente el papel que juega el agua en diferentes sistemas biológicos. De esta manera y en colaboración con el Prof. Ariel Fernández, estudiamos la dinámica del agua de hidratación en proteínas en base a un enfoque, basado en sus desarrollos previos [2, 48, 113, 114, 79], que codifica el comportamiento del agua nanoconfinada en un motivo estructural, los llamados dehidrones, los cuales representan defectos de empaquetamiento dados por puentes de hidrógeno, de la cadena principal de la proteína, desprotegidos o expuestos al efecto disruptivo del agua de hidratación. Los dehidrones resultan ser \pegajosos" al requerir del \arropamiento" o protección intermolecular por parte de grupos hidrofóbicos promoviendo así la asociación con ligandos. En este sentido demostramos (Capítulo 4) que dichos motivos estructurales en proteínas muestran una propensión a la deshidratación local y por ende representan regiones de alta hidrofobicidad local en proteínas. Es esta tendencia a la labilización del agua circundante que poseen dichos motivos la que promueve la asociación de ligandos (otras proteínas o drogas) que deben reemplazar al agua de hidratación y así completar la desolvatación o secado de estas interacciones. Este efecto, en el cual basicamente un tercer cuerpo no polar \protege" a una interacción electrostática contribuyendo a la deshidratación o exclusión del agua de la misma se denomina cooperativismo molecular (Sección 4.2). En consecuencia el tratamiento y estudio de las interfases proteína-proteína en base a este enfoque presentado anteriormente, implica un cambio de paradigma o, cuanto menos, un cambio en el nivel de análisis de este tipo de sistemas. Así, en el marco de esta colaboración desarrollamos en el seno de nuestro grupo de investigacion un alanine scanning in silico o computacional (Subsección 5.2.1), basado en estos conceptos, y así logramos predecir satisfactoriamente los hot spots de un conjunto de complejos proteína-proteína y verificar la importancia de las interacciones de tres cuerpos o cooperativas en la asociación de proteínas [18]. Específicamente logramos racionalizar la naturaleza de los hot spots y así de las interacciones en las interfases proteína-proteína, un problema que desde hace mucho tiempo no ha podido resolverse dado que solo se han considerado enfoques basados en la aditividad de las interacciones de a pares [2]. Estos conceptos son también de vital importancia para el dise~no racional de peque~nas moléculas disruptivas de interfases proteína-proteína, las cuales, en base a un dise~no racional, pueden imitar la capacidad \protectora" de los hot spots. Consecuentemente verficamos la importancia de las interacciones de tres cuerpos o cooperativas en la interacción entre drogas y proteínas (Capítulo 6) al verificar que un conjunto de drogas disruptivas de interfases proteína-proteína tienden a mimetizar las interacciones cooperativas intermoleculares de la proteína que reemplazan [19]. En base a estos conceptos también estudiamos el caso particular de la mutación oncogénica Y220C de la proteína p53 (Sección 6.2) [59, 149, 137, 115, 90, 69] conocido como el \guardián del genoma", el cual se encuentra mutado en la mitad de los casos de cancer en seres humanos, como así también estudiamos y optimizamos la función de rescate sobre el p53 de la molécula PhiKan083 desarrollada por el grupo del Prof. Alan Fersht. Finalmente en la última parte de esta Tesis extendemos preliminarmente las nociones anteriores al ámbito de la ciencia de materiales en medio acuoso (Capítulo 7). Sin embargo, en estos contextos mucho más amplios la existencia de un motivo estructural prevalente no emerge claramente dada la heterogeneidad de sistemas de estudio. Por lo tanto, como primer paso, es necesario para este contexto desarrollar medidas eficaces de la hidrofobicidad local. Así, resulta de interés estudiar modelos simples de los cuales extraer principios generalizables. Estas cuestiones se~nalan un camino de continuidad de todo el trabajo expuesto hasta esta etapa, donde esperamos que el desarrollo de enfoques más generales, sean de gran utilidad en el ámbito de la ciencia de materiales y la bioingeniería, en donde también operan otras interacciones no covalentes no contempladas en los temas expuestos anteriormente y en donde se necesite un grado de detalle o resolución mayor al que hemos utilizado anteriormente. En ese sentido estudiamos diferentes parámetros como las uctuaciones de densidad y tiempos de residencia de agua alrededor de una placa de grafeno, en el exterior de nanotubos de carbono de pared simple (Subsección 7.2.1), en superficies de monocapas autoensambladas de alcanos (SAMs) y en poros o cavidades de diferente tamaño talladas en la superficie de las SAMs (Subsección 7.2.2). En ese sentido verificamos el concepto de que las uctuaciones de densidad de agua representan una buena medida de la hidrofobicidad/hidrofilicidad de las superficies [70]. Por último, en el marco de una colaboración con el Prof. Pablo Debenedetti de Princeton University demostramos que las uctuaciones de densidad de agua alrededor de una placa de grafeno (un material ampliamente considerado como prototipo hidrofóbico) son practicamente idénticas a las uctuaciones sobre una superficie hidrofílica y muy diferentes de aquellas para una superficie hidrofóbica como las SAMs, lo cual denota un comportamiento hidroffilico de las superficies graffíticas [37]. Mostramos que dicho comportamiento hidrofíico del grafeno se traduce en un comportamiento de interés práctico: previene la agregación de dos placas de grafeno.