Estudio del efecto de péptidos catiónicos sobre propiedades reológicas y mecánicas de membranas modelo

Abstract

El objetivo del trabajo es el de aportar el detalle molecular de la modulación que los péptidos catiónicos ejercen sobre membranas modelo, utilizando una combinación de simulaciones computacionales de grano grueso técnicas de análisis tales como el método de ondas capilares. Los péptidos catiónicos son pequeñas cadenas de aminoácidos con carga positiva cuyo estudio es de interés por sus posibles aplicaciones en el diseño de drogas y de vı́as de vehiculización dirigida de las mismas. Se encuentran dentro de esta familia los péptidos de penetración celular (CPP), son cadenas ricas en arginina de hasta 20aminoácidos que forman parte de mecanismos biológicos endógenos de transporte y transducción celular. Su capacidad de translocación de membranas aniónicas ha inspirado diversas aplicaciones tecnológicas. Los péptidos antimicrobianos (AMP), otra familia de péptidos catiónicos de hasta 50 residuos, son parte del mecanismo de defensa de insectos e invertebrados a las infecciones bacterianas, y son potenciales sustitutos de antibióticos comunes. Se ha observado que su interacción con membranas es mediada por las propiedades fisicoquı́micas de ambas partes, teniendo una fuerte componente electrostática. Esta interacción tiene un efecto estructural en las membranas, que es el objeto de este estudio. Se empleó Umbrella Sampling con el objetivo de analizar la energética de la interacción péptido-membrana, calculando el Potencial de Fuerza Media (PMF) del proceso. Se analizó el efecto de la composición de la membrana y la carga superficial para el CPP nonaarginina (R9) [1] y para el AMP polybia-MP1. Los PMF de interacción de polybia fueron obtenidos a su vez por Teorı́a Molecular, una poderosa técnica derivada de la mecánica estadı́stica que se basa a minimización de un funcional de energia libre a través de la resolución auto-consistente de la densidad local de todas las especies presentes en el sistema [2]. La contribución entrópica es tenida en cuenta a través de la inclusión de configuraciones generadas por dinámica molecular. Este método de campo medio presenta las ventajas de ser extremadamente eficiente y rápido para el cálculo de energı́a libre en comparación a la dinámica molecular, y permite evaluar cambios en los estados de protonación en grupos con quı́mica ácido-base, como lo son los aminoácidos ionizables de los AMP y los grupos ácidos de las membranas. Motivado por evidencias experimentales del efecto de poliargininas en las propiedades reológicas de bicapaslipı́dicas, que sugieren una disminución en la rigidez interfacial [3], se efectuaron simulaciones de compresión-relajación para evaluar el tiempo caracterı́stico de relajación de curvatura en membranas con diferentes grados de cobertura de R9. Se observó una dependencia de la dinámica de relajación con la cantidad de R9 adsorbido en la interfaz lipı́dica consistente con los resultados experimentales. Con el fin de de convolucionar las componentes dinámica y estática de este efecto, se evaluó el coeficiente de difusión lateral de los lı́pidos, y el módulo de elasticidad de las membranas respectivamente. El módulo elástico se obtuvo a través del método de análisis de ondas capilares, que consiste en el mapeo de una superficie de isodensidad gaussiana a la interfaz lipı́dica, con el posterior análisis de los modos normales de ondulación [4]. Las dependencias de estas propiedades con el grado de cobertura de las membranas con R9 sugieren que el efecto del CPP sobre las propiedades reológicas de la membrana es sustancialmente de naturaleza dinámica.