Theoretical analyses of phenomen a involving photoactive proteins: a multiscale approach
- Autores: Marc Nadal Ferret
- Directores de la Tesis: Ricard Gelabert Peiri (dir. tes.), Miquel Moreno Ferrer (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Vicente Moliner Ibáñez (presid.), Àngels Gonzàlez Lafont (secret.), Victor Guallar Tasies (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
A la tesi Theoretical analysis of phenomena involving photoactive proteins: a multiscale approach (Anàlisi teòrica de fenòmens relatius a proteïnes fotoactives: un tractament multiescala) s'estudia una col·lecció de problemes relatius a les proteïnes fotoactives. La nostres anàlisis requereixen l'ús de tècniques multiescala, això és, un nivell rigorós de càlcul aplicat a una regió específica, combinat amb càlculs més assequibles a la resta del sistema, i comporta el desenvolupament de noves metodologies per entendre què hi succeeix. Aquestes metodologies tenen en comú la necessitat d'un tractament quàntic de diferents fenòmens que tenen lloc en proteïnes fluorescents, però també la d'una anàlisi de més gran escala, com la inclusió de l'entorn, els efectes electrostàtics o els efectes dinamics i tèrmics. Les proteïnes són la clau química de la vida. Per entendre com funcionen les cèl·lules i els éssers vius, cal estudiar una maquinària increïblement complexa de proteïnes. A banda de la seva funció natural, algunes proteïnes (com la Green Fluorescent Protein, GFP) també poden actuar com a biomarcadors quan es connecten amb altres proteïnes mijançant tecnologia genètica. Això suposa un avenç notable en biomedicina tota vegada que és possible detectar cèl·lules vives, traçar-ne el camí i visualitzar-les. D'altra banda, atès que les proteïnes són entitats molt complexes, requereixen la implementació i àdhuc en desenvolupament de mètodes nous que permetin d'abordar-ne l'estudi. És per aquest motiu que ens calen els models multiescala: es poden combinar tècniques més acurades (per bé que costoses) amb nivells de càlcul més assequibles. Aquesta tesi és un itinerari a través d'una col·lecció de metodologies que hem dissenyat i implementat, adreçades a l'estudi de sistemes biològics. En el nostra camí cap una anàlisi més profunda en aquest tipus de modelització, el primer tema abordat és el tractament dels espectres d'absorció en proteïnes vermelles fluorescents. Han calgut càlculs combinats de Mecànica Quàntica amb Mecànica Molecular (QM/MM) per a tindre en compte les interaccions de tota la proteïna amb el cromòfor, i es palesa la importància d'aquests efectes. Hem proposat una combinació de càlculs electrònics en l'estat excitat (ESEC, en anglès) amb simulacions de dinàmiques moleculars, i s'ha vist que tant els efectes electrostàtics com els tèrmics són imprescindibles per reproduir correctament l'espectre d'absorció. Partint d'eines força comunes en modelització multiescala, hem fet un pas endavant dissenyant una metodologies específica que confirma que els cromòfors no es poden tractar com a cossos rígids i aïllats i, en particular, ha obert un camí interessant per escatir la reactivitat i les cadenes de protons de les proteïnes mKeima i LSSmKate2. La següent passa ha consistit en ultrapassar l'aproximació de Born-Oppenheimer. Discutim l'existència d'un Low Barrier Hydrogen Bond (LBHB, pont d'hidrogen de barrera baixa) a la Photoactive Yellow Protein (PYP, proteïna groga fotoactiva). Un LBHB és fonamentalment un fenòmen quàntic. Es tracta d'un pont d'hidrogen en el qual la barrera d'energia entre reactius i productes és prou baixa, de manera que la funció vibracional de l'àtom d'hidrogen pot tenir la posició esperada al màxim d'energia. Això implica que l'àtom ja no s'ha de tractar com una massa puntual, sinó com una funció d'ona. Per esbrinar si hi havia o no l'LBHB, i en quines condicions, s'han fet càlculs QM/MM de la superfície d'energia potencial i simulacions de dinàmica molecular, però també s'han hagut de fer càlculs vibracionals anharmònics. Finalment, quant a la reactivitat de la GFP, es presenten mètodes més sofisticats.Emprenem l'estudi de la reacció química que causa la fluorescència a la GFP. Per això, és imprescindible un tractament quàntic per als nuclis, i es presenta una nova metodologia per calcular el flux de probabilitat. Això és, calcularem a quina velocitat el paquet d'ones va de reactius a productes, i per quines regions ho fa. A part d'això, es proposarà un estudi QM/MM de la reactivitat de la GFP a l'estat excitat que tingui en compte els efectes electrostàtics.
