Molecular dynamics simulation of the spherical electrical double layer of a soft nanoparticle. Effect of the surface and counterion valence

Molecular dynamics simulations were performed to study the ion and water distribution around a spherical charged nanoparticle. A soft nanoparticle model was designed using a set of hydrophobic interaction sites distributed in six concentric spherical layers. In order to simulate the effect of charged functionalyzed groups on the nanoparticle surface, a set of charged sites were distributed in the outer layer. Four charged nanoparticle models, from a surface charge value of −0.035 Cm−2 to − 0.28 Cm−2, were studied in NaCl and CaCl2 salt solutions at 1 M and 0.1 M concentrations to evaluate the effect of the surface charge, counterion valence, and concentration of added salt. We obtain that Na + and Ca2 + ions enter inside the soft nanoparticle. Monovalent ions are more accumulated inside the nanoparticle surface, whereas divalent ions are more accumulated just in the plane of the nanoparticle surface sites. The increasing of the the salt concentration has little effect on the internalization of counterions, but significantly reduces the number of water molecules that enter inside the nanoparticle. The manner of distributing the surface charge in the nanoparticle (uniformly over all surface sites or discretely over a limited set of randomly selected sites) considerably affects the distribution of counterions in the proximities of the nanoparticle surface.

Comparison between molecular dynamics abd Monte Carlo simulations of an ordering process in a binary alloy

Ordering in a binary alloy is studied by means of a molecular-dynamics (MD) algorithm which allows to reach the domain growth regime. Results are compared with Monte Carlo simulations using a realistic vacancy-atom (MC-VA) mechanism. At low temperatures fast growth with a dynamical exponent x>1/2 is found for MD and MC-VA. The study of a nonequilibrium ordering process with the two methods shows the importance of the nonhomogeneity of the excitations in the system for determining its macroscopic kinetics.

Electronic couplings and on-site energies for hole transfer in DNA: systematic quantum mechanical/molecular dynamic study

The electron hole transfer (HT) properties of DNA are substantially affected by thermal fluctuations of the π stack structure. Depending on the mutual position of neighboring nucleobases, electronic coupling V may change by several orders of magnitude. In the present paper, we report the results of systematic QM/molecular dynamic (MD) calculations of the electronic couplings and on-site energies for the hole transfer. Based on 15 ns MD trajectories for several DNA oligomers, we calculate the average coupling squares 〈 V2 〉 and the energies of basepair triplets X G+ Y and X A+ Y, where X, Y=G, A, T, and C. For each of the 32 systems, 15 000 conformations separated by 1 ps are considered. The three-state generalized Mulliken-Hush method is used to derive electronic couplings for HT between neighboring basepairs. The adiabatic energies and dipole moment matrix elements are computed within the INDO/S method. We compare the rms values of V with the couplings estimated for the idealized B -DNA structure and show that in several important cases the couplings calculated for the idealized B -DNA structure are considerably underestimated. The rms values for intrastrand couplings G-G, A-A, G-A, and A-G are found to be similar, ∼0.07 eV, while the interstrand couplings are quite different. The energies of hole states G+ and A+ in the stack depend on the nature of the neighboring pairs. The X G+ Y are by 0.5 eV more stable than X A+ Y. The thermal fluctuations of the DNA structure facilitate the HT process from guanine to adenine. The tabulated couplings and on-site energies can be used as reference parameters in theoretical and computational studies of HT processes in DNA

Interação heparina-antitrombina : reconhecimento molecular caracterizado por ferramentas de modelagem molecular

A heparina foi isolada no início do século XX e permanece, até os dias atuais, como um dos mais importantes e eficientes agentes terapêuticos de ação antitrombótica. Sua atividade anticoagulante deve-se à ativação da antitrombina (AT), uma serpina responsável pela inibição fisiológica de serino-proteinases plasmáticas, tais como fIIa e fXa. Os esforços no sentido da elucidação dos aspectos estruturais e dinâmicos associados ao reconhecimento molecular da heparina pela AT, em nível atômico, vêm encontrando diversas dificuldades, principalmente associadas aos compostos sacarídicos. Em decorrência de sua elevada polaridade e flexibilidade, glicosaminoglicanos como a heparina são difíceis de estudar e modelar. Soma-se a isto o fato de que os resíduos de iduronato presentes na heparina (IdoA) apresentam um incomum equilíbrio conformacional entre estados de cadeira (1C4) e bote-torcido (2SO), sendo esta última estrutura postulada como a possível conformação bioativa. Sendo assim, este trabalho apresenta um estudo de modelagem molecular do perfil conformacional da heparina, tanto em solução quanto complexada à AT, utilizando cálculos ab initio e simulações de dinâmica molecular (DM) Em decorrência da ausência de parâmetros capazes de descrever polissacarídeos nos campos de força atualmente disponíveis, cargas atômicas foram geradas, utilizando-se os esquemas de Mulliken, Löwdin e cargas ajustadas ao Potencial Eletrostático, através de cálculos quantum-mecânicos na base 6-31G** e testadas na simulação de DM da heparina. Diversas condições de simulação, tais como modelos de água, concentrações de sais e as conformações 1C4 e 2SO do IdoA, foram avaliadas de forma a identificar as melhores condições para a descrição conformacional da heparina em solução. O protocolo de DM obtido foi então utilizado no estudo do complexo AT-heparina. Os resultados obtidos estão de acordo com os dados experimentais atualmente disponíveis acerca da conformação da heparina e da contribuição energética de cada resíduo de aminoácido da AT para a formação do complexo com a heparina. A partir dos cálculos ab initio realizados, foi proposto um refinamento na estrutura da heparina determinada por RMN, enquanto que as simulações de DM permitiram reinterpretar aspectos da estrutura tridimensional da AT determinada por cristalografia de raios-X. Adicionalmente, os dados obtidos sugerem que não há requerimento conformacional para a interação do IdoA com a AT Globalmente, os dados indicam que simulações de DM podem ser utilizadas para representar adequadamente a conformação da heparina, assim como para caracterizar e quantificar suas interações com a AT. Assim sendo, propomos o uso de simulações de DM do complexo entre a AT e a heparina, ou entre a AT e compostos derivados da heparina, como uma ferramenta útil no processo de desenvolvimento de novos agentes antitrombóticos e anticoagulantes.

Influência de parâmetros moleculares em funções de correlação temporal na dinâmica de solvatação mecânica

No presente trabalho descrevemos nossos resultados relativos à investigação da dinâmica de solvatação mecânica por meio de simulações por dinâmica molecular, respeitando o regime da resposta linear, em sistemas-modelo de argônio líquido com um soluto monoatômico ou diatômico dissolvido. Estudamos sistematicamente a influência dos parâmetros moleculares dos solutos (tamanho, polarizabilidade) e da densidade frente a vários modelos de solvatação. Funções de Correlação Temporal da Energia de Solvatação foram calculadas com relação à correlações de n-corpos (n = 2; 3) distinguindo interações repulsivas e atrativas para ambos os sistemas líquidos. Também obtivemos segundas derivadas temporais dessas funções referindo-se à parcelas translacionais, rotacionais e roto-translacionais na solução do diatômico. Encontramos que funções de correlação temporal coletivas podem ser razoavelmente bem aproximadas por correlações binárias a densidades baixas e, a densidades altas, correlações ternárias tornam-se mais importantes produzindo um descorrelacionamento mais rápido das funções coletivas devido a efeitos de cancelamento parciais. As funções de correlação para interações repulsivas e atrativas exibem comportamentos dinâmicos independentes do modelo de solvatação devido a fatores de escalonamento linear que afetam apenas as amplitudes das dessas funções de correlação temporal. Em geral, os sistemas com grau de liberdade rotacional apresentam tempos de correlação mais curtos para a dinâmica coletiva e tempos de correlação mais longos para as funções binárias e ternárias. Finalmente, esse estudo mostra que os sistemas contendo o diatômico relaxam-se predominantemente por mecanismos translacionais binários em modelos de solvatação envolvendo alterações apenas na polarizabilidade do soluto, e por mecanismos rotacionais atrativos binários em modelos envolvendo alterações no comprimento de ligação.

Modelos mecânicos para o estudo da dinâmica do DNA

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Modelagem molecular voltada para a construção de um nanobiossensor para detecção do herbicida Imazaquin

In this study, our goal was develop and describe a molecular model of the enzyme-inhibiting interaction which can be used for an optimized projection of a Microscope Force Atomic nanobiosensor to detect pesticides molecules, used in agriculture, to evaluate its accordance with limit levels stipulated in valid legislation for its use. The studied herbicide (imazaquin) is a typical member of imidazolinone family and is an inhibitor of the enzymatic activity of Acetohydroxiacid Synthase (AHAS) enzyme that is responsible for the first step of pathway for the synthesis of side-chains in amino acids. The analysis of this enzyme property in the presence of its cofactors was made to obtain structural information and charge distribution of the molecular surface to evaluate its capacity of became immobilized on the Microscopy Atomic Force tip. The computational simulation of the system, using Molecular Dynamics, was possible with the force-field parameters for the cofactor and the herbicides obtained by the online tool SwissParam and it was implemented in force-field CHARMM27, used by software GROMACS; then appropriated simulations were made to validate the new parameters. The molecular orientation of the AHAS was defined based on electrostatic map and the availability of the herbicide in the active site. Steered Molecular Dynamics (SMD) Simulations, followed by quantum mechanics calculations for more representative frames, according to the sequential QM/MM methodology, in a specific direction of extraction of the herbicide from the active site. Therefore, external harmonic forces were applied with similar force constants of AFM cantilever for to simulate herbicide detection experiments by the proposed nanobiosensor. Force value of 1391 pN and binding energy of -14048.52 kJ mol-1 were calculated.

Synthesis of iminosugars through diastereo/enantioselective diels-alder cycloaddition

Tese de Doutoramento em Ciências (Especialidade em Química)

Nanocomposites: the contribution of multiscale modelling to improve the dispersion levels

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos

Protein-based nanodevices for therapeutic applications

Tese de Doutoramento em Biologia Molecular e Ambiental (área de especialização em Biologia Celular e Saúde).

Synthesis of new peptide derivatives that self-assemble into nanostructured hydrogels for biomedical applications

Tese de Doutoramento em Ciências (área de especialização em Química)

Estudio básico y aplicado de polímeros elastómeros mediante la Técnica de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Los polímeros son materiales que poseen una variedad muy grande de aplicaciones. Por esta razón, el estudio de sus propiedades físicas y químicas resulta de gran interés. Un polímero es una macromolécula cuyo peso molecular puede llegar a varios millones de umas. Mediante la selección de el o los monómeros y de su secuenciamiento en el proceso de polimerización (microestructura del polímero), se puede lograr que el material tenga propiedades predeterminadas. Es posible, entonces, encontrar o desarrollar polímeros para las más variadas aplicaciones: elásticos, rígidos, resistentes a la temperatura, conductores, aisladores, inertes, etc. (...) La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) de alta resolución es una de las técnicas más poderosas para la caracterización de los polímeros, brindando información sobre la microestructura y la dinámica de estas macromoléculas, tanto cuando se encuentran en estado sólido como cuando están disueltas en soluciones líquidas. El entendimiento de la microestructura de un polímero es de interés porque ella está íntimamente relacionada con las propiedades macroscópicas del material. Por otra parte, la microestructura de un polímero depende del proceso de polimerización utilizado y en consecuencia, es posible obtener información sobre los mecanismos de reacción química que ocurren durante su síntesis, dentro de los reactores de polimerización. NMR permite, también, obtener información detallada sobre la dinámica de los polímeros. La gran longitud de los polímeros hace que su dinámica molecular sea sumamente compleja. Sin embargo, mediante el empleo de secuencias de pulsos particulares y mediciones de los tiempos de relajación característicos de los espines nucleares, se obtiene información sobre la dinámica de la macromolécula, de los segmentos que la componen y de los grupos colgantes que pueda poseer. Objetivos Generales y Específicos El trabajo a realizar en el período correspondiente al subsidio solicitado, es la continuación de las investigaciones comenzadas en septiembre de 1995. Se avanzará en el entendimiento de los elastómeros que se están estudiando actualmente. El estudio abarca los elastómeros sin tratamientos térmicos y con tratamientos térmicos (vulcanizados).

Propiedades estructurales y dinámicas de organizaciones supramoleculares de interés biológico: Estudios por Resonancia Magnética

En este proyecto se estudian propiedades estructurales y dinámicas de fluídos complejos, en particular de organizaciones como micelas, vesículas, fases hexagonales, etc. Se pretende profundizar en el conocimiento de diversos aspectos de las membranas biológicas y de proteínas que contienen metales de transición usando sistemas modelo simple. Nuestra aproximación experimental al problema involucra esencialmente el uso de la Resonancia Magnética Nuclear de fosfóro-31, hidrógeno, deuterio y carbono-13 y de Resonancia Paramegnética Electrónica usando marcadores de espín. Se realizan también estudios complementarios de áreas moleculares y presiones de colapso en capas monomoleculares y análisis térmico diferencial. (...) Objetivos generales y específicos: El objetivo del proyecto es contribuir a un mejor entendimiento de las complejas membranas biológicas y del funcionamiento de proteínas que contienen metales de transición estudiando propiedades estructurales y dinámicas y transiciones de fase en organizaciones moleculares más simples. Se estudiará la existencia de transiciones de fase liotrópicas y termotrópicas y el efecto de perturbantes sobre la dinámica molecular en los sistemas seleccionados. En el sistema Zn(d,l-histidina)2.5H2O hemos iniciado varias mediciones de RMN de 1H y 2H en función de temperatura que revelan movimientos cuyas energías de activación hemos calculado. Sin embargo, no hemos logrado hasta el momento determinar unívocamente el tipo de movimiento y los átomos involucrados. Es para esto que pretendemos realizar estudios de RMN en otros núcleos tales como 13C, 14N y 15N e iniciar mediciones más finas de tiempos de relajación spin-spin T2 y spin-red T1 en 1H y 2H y en los núcleos mencionados en función de temperatura. Asimismo, se continuará la caracterización de bicapas y otras fases formadas por fosfolípidos de origen natural a los cuales se agregan gangliósidos y/o colesterol. Se aprovecha que el 31P (de abundancia natural 100%) tiene spin nuclear ½ y que la forma de línea de resonancia, una vez cancelada la interacción dipolar magnética con los hidrógenos, provee a través del corrimiento químico del 31P información del entorno del mismo y así de la organización molecular. Complementariamente, los resultados de RPE nos permitirán conocer la dinámica de la zona hidrofóbica de los agregados y diferenciar micelas de vesículas pequeñas. Esta información no es accesible a partir de mediciones de 31P-RMN.

Espectroscopía bidimensional posicional y dispersión en la relajación espín-red en sistemas parcialmente desordenados

Se utiliza la RCN de línea ancha y la RMN con ciclaje del campo magnético y se desarrollan técnicas de espectroscopía bidimensional e imágenes por RCN para estudiar el orden local y las fluctuaciones de orden (en el rango de los movimientos lentos y ultralentos) en sistemas parcialmente desordenados. Como ejemplo se estudian cristales líquidos, cristales plásticos, fases inconmensuradas, polímeros y gels. Objetivos generales y específicos: Resonancias cuadrupolar y magnética en sistemas parcialmente desordenados. Específicamente se pretende estudiar los espectros de resonancia generados por las diferentes estructuras que forman las moléculas en ejemplos, tales como: sistemas inconmensurados, cristales líquidos, cristales plásticos, vidrios orgánicos y polímeros, y su influencia en la dinámica molecular en la escala de tiempos de los movimientos lentos y ultralentos. Se intenta contribuir así al conocimiento básico de los efectos comunes de diferentes tipos de arreglos moleculares sobre la distribución de gradientes de campo eléctrico en el sitio que ocupa el núcleo resonante que se observa. La influencia de esos mismos ordenamientos sobre las fluctuaciones en el orden molecular, es también parte del mismo trabajo. La formación de recursos humanos en el nivel del doctorado y del pregrado en Física esta presente en cada tarea que se realiza. Técnicas bidimensionales en Resonancia Cuadripolar Nuclear: Imágenes en Sólidos y Espectroscopía de intercambio. El desarrollo de estas técnicas tiene los siguientes propósitos específicos: 1) Lograr técnicas de manejo de datos para la formación de imágenes por RCN en el sistema rotante (rNQRI), para aplicarlas en: a) obtener distribución de temperatura, tensiones internas y esfuerzos externos en sólidos opacos; b) obtener imágenes superficiales de alta resolución; c) estudio de propiedades mecánicas microscópicas, particularmente en polímeros; d) desarrollar imágenes que resuelvan la orientación relativa de pequeños cristales en objetos policristalinos. 2) Aplicar la espectroscopía bidimensional por RCN a sistemas parcialmente desordenados, en particular cristales plásticos, para estudiar fluctuaciones de orden.

Estudios en Mecánica Estadística y Mecánica Cuántica

Objetivos generales y específicos: * "Large Deviations" no-comutativas. (...) * Propiedades (sobre todo extremales) de la entropía relativa. (...) * Estados fundamentales de sistemas (de spins) cuánticos. (...) Pero se espera sobre todo concentrar esfuerzos en los siguientes dos proyectos: 1. Termodinámica de equilibrio para modelos con desorden. Se pretende continuar con los estudios acerca de los aspectos termodinámicos y dinámicos de modelos importantes en el ámbito de los sistemas desordenados. (...) El principal interés concierne a la mecánica estadística de sistemas de spines cuyas constantes de interacción tienen componentes aleatorias. Estos modelos están relacionados con los modelos conocidos como vidrios de spin y el principal objetivo consiste en obtener información acerca de los diagramas de fases. (...) 2. Efectos no-adiabáticos en dinámica molecular. El proyecto tiene como objetivo general el estudio de aspectos conceptuales y computacionales de la dinámica de sistemas que involucran dos tipos de grados de libertad asociados usualmente con masas muy diferentes. Tal es el caso de los sistemas moleculares en los cuales las masas nucleares y electrónicas difieren en tres órdenes de magnitud. La investigación se centrará en situaciones en que falla la hipótesis (usual) de adiabaticidad. (...) Se estudiarán en un principio las bases matemáticas y conceptuales de los algoritmos de cálculo numérico conocido como "surface hopping methods". (...) Se reexaminará la base teórica de los métodos actuales para el estudio de fenómenos no adiabáticos. Se intentará el desarrollo de nuevos algoritmos de cálculo basados en las expansiones asintóticas de Hagedorn.