Los nanotubos formados por el autoensamblaje de determinados ciclopéptidos pueden utilizarse como canales de paso a través de la membrana celular, replicando funciones específicas de los sistemas de transporte natural. En esta ocasión, investigadores del CiQUS han evaluado el comportamiento de las moléculas de agua en el interior de estos nanotubos recurriendo a técnicas de Dinámica Molecular (MD). Tras comparar distintos modelos de simulación del agua, los resultados obtenidos abren la puerta a la validación de nuevos modelos teóricos específicamente diseñados para simular el comportamiento de las moléculas de agua en sistemas confinados.
La membrana que rodea las células de los organismos vivos regula el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior celular, entre otras funciones. Entre las capas de lípidos que forman la membrana se insertan determinadas estructuras capaces de transportar agua, iones u otras moléculas. El mal funcionamiento de estos canales transmembrana se ha relacionado con enfermedades como la fibrosis quística, aunque también pueden actuar como sensores o secuenciadores de DNA. Los recientes avances en nanotecnología han permitido diseñar numerosos canales sintéticos para replicar las funciones específicas de estos sistemas de transporte biológicos, en términos de afinidad, eficiencia, estabilidad y selectividad. En este sentido, los nanotubos formados por el autoensamblaje de péptidos cíclicos son un candidato prometedor. Estos sistemas orientan las cadenas de aminoácidos hacia el exterior del tubo, dejando una cavidad en su interior que podría ser usada para el transporte de moléculas.
Supercomputación para estudiar el comportamiento de las moléculas
La Dinámica Molecular es una técnica computacional que emplea ecuaciones para simular el movimiento de los átomos en un sistema, permitiendo una completa caracterización espacio-temporal de su estructura y de su comportamiento dinámico.
Además, esta técnica permite estudiar las propiedades de las moléculas confinadas en la nanoescala. El comportamiento del agua y los iones encerrados dentro de los estrechos confines de un poro hidrofóbico subnanométrico es muy diferente al del mundo macroscópico. Esta resolución atómica le permite llegar donde otros métodos experimentales no llegan pero la fiabilidad de estas simulaciones depende, entre otros factores, de la precisión de los modelos teóricos utilizados.
El equipo del CiQUS liderado por el Prof. Juan R. Granja y la Dra. Rebeca García Fandiño ha utilizado la Dinámica Molecular para analizar el comportamiento de los ciclopéptidos insertados en la membrana lipídica celular. En el estudio, realizado en colaboración con el grupo del Prof. Mark Sansom de la Universidad de Oxford y publicado en la revista (link is external) ACS Nano(link is external), los investigadores evaluaron el comportamiento de cuatro modelos de simulación de agua diferentes en el interior de estos nanotubos observando que la dinámica de las moléculas de agua y sus interacciones con los péptidos presentes en los nanoporos dependen del modelo de agua empleado. Todos los cálculos fueron llevados a cabos en el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA). “Ninguno de estos modelos fue diseñado específicamente para simulaciones de agua en nanotubos, y en ausencia de datos estructurales y dinámicos experimentales, no es posible evaluar cuál de ellos modela con más precisión la realidad” señala Martín Calvelo, autor principal del estudio y miembro del grupo. Los autores apuntan a que el trabajo es un punto de referencia para poder llevar a cabo experimentos en un laboratorio clásico, abriendo la puerta a la validación de modelos de agua en sistemas confinados y por tanto, más precisos.
Referencia
Effect of Water Models on Transmembrane Self-Assembled Cyclic Peptide Nanotubes
Martin Calvelo, Charlotte I. Lynch, Juan R. Granja, Mark S. P. Sansom and Rebeca Garcia-Fandiño*. ACS Nano 2021, 15, 4, 7053–7064(link is external).
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