Study of conductive polymers, biomolecules and their hybrids through computational approaches
Authors:   , Triguero Enguídanos Jordi 
Published: September 2023

In this thesis, different theoretical approaches designed to study a wide interval of length- and/or time-scales have been used to examine the microscopic properties of chemical systems with varying degrees of complexity and size. Firstly, the conformational preferences and optical properties of a tripeptide derived from the RGD sequence, the unit of a cell adhesive activity domain in adherent proteins, have been analyzed. Calculations on this peptide, which contains an exotic amino acid bearing a 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) ring as side group, have been performed using DFT and time depending DFT methods. Results indicate that the bioactive characteristics of the RGD sequence become unstable in presence of the new residue because of both the steric hindrance caused by the EDOT side group and the repulsive interactions between the oxygen atoms belonging to the backbone amide groups and the EDOT side group. This information has been used to propose some chemical changes oriented to improve the bioadhesive properties. The interaction of a cell penetrating tetrapeptide, RPAR, adsorbed onto a gold substrate and the deposition of a pre-assembled peptide-polymer conjugate, cyc[(L-Gln-D-Ala-L-Lys-D-Ala)2] coupled with two poly(n-butyl acrylate) blocks, onto a mica substrate have been examined through molecular dynamics (MD). Results indicate that RPAR binds both the (100) and (111) gold surface facets. The conformation of the adsorbed peptide differs considerably from the bioactive conformation. However, the new conformations are not stabilized by strong intramolecular interactions. Accordingly, gold nanoparticles can be considered as suitable vehicles for the transport and targeted delivery of this CendR peptide. For the pre-assembled peptide-polymer conjugate, a theoretical approach that simulates the selective and progressive desolvation of the nanotube-like assembly has been used, demonstrating that the solvent presence during deposition is the main responsible for the unexplained conformational preferences of the acrylate blocks. When the proportion of solvent drops, the loss of many attractive solute-solvent interactions induces a meaningful increase in the number of torsions. MD has been also used to understand the impact of the solvation medium and the action of a detergent in the structure of a representative outer membrane protein (OMP). Calculations show the destabilization of the protein in water, while in presence of detergent molecules in solution or the bilayer induce a partial and complete protective effect, respectively. Combining stochastic algorithms and MD simulations the atomistic details of polymer coatings deposited over metal surfaces have been modeled to reproduce the experimentally observed topographic features of poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, deposited onto stainless steel. Results have provided an excellent model system to test the developed modeling strategy. Multi-phasic simulations have been conducted to explain the influence of protein···polymer interactions in the antimicrobial biocapacitors activity of lysozyme (LYZ)-containing PEDOT electrodes through atomistic MD calculations. Two models have been investigated: i) a biphasic system in which the protein was adsorbed onto the surface of PEDOT, PEDOT/LYZ; and ii) a biocomposite in which the LYZ was homogeneously distributed inside the PEDOT matrix, P(EDOT-LYZ). MD simulations have been performed in absence and presence of electric fields, the latter mimicking the one originated by the voltage cell difference in biocapacitors. In PEDOT/LYZ electrodes, the loss of biological activity has been attributed to the anisotropy of the PEDOT···LYZ electrostatic interactions. In contrast, anisotropic effects are minimized in P(EDOT-LYZ), conserving activity. The bactericidal activity of PEDOT/LYZ and P(EDOT-LYZ) biocapacitors is independent of the electric field applied or supplied during charge-discharge processes.

En esta tesis, diferentes métodos diseñados para estudiar un amplio intervalo de tamaños y/o escalas de tiempo han sido usados para examinar las propiedades microscópicas de sistemas químicos con diferentes grados de complejidad y magnitud. Primeramente, se han analizado las preferencias conformacionales y las propiedades ópticas de un tripéptido derivado de la secuencia RGD, el dominio de actividad adhesiva en proteínas adherentes. Los cálculos de este péptido, que contiene un aminoácido exótico que porta un anillo de 3,4-etilendioxitiofeno (EDOT) como grupo lateral, han sido llevados a cabo usando métodos de DFT y DFT dependiente del tiempo. Los resultados indican que las características bioactivas de la secuencia RGD se vuelven inestables en presencia del nuevo residuo debido tanto a los impedimentos estéricos causados por el EDOT de la cadena lateral como por las interacciones repulsivas entre los átomos de oxígeno de los grupos amida que pertenecen a la cadena principal del péptido y del grupo lateral de EDOT. Esta información ha sido utilizada para proponer algunos cambios en la composición química orientados a mejorar las propiedades bioadhesivas. La interacción de un tetrapéptido permeabilizador vascular, RPAR, que ha sido adsorbido sobre un sustrato de oro y la deposición de un conjugado péptido-polímero pre-ensamblado, cyc[(L-Gln-D-Ala-L-Lys-D-Ala)2] unido a dos poli(n-butil acrilatos), sobre un sustrato de mica han sido examinados a través de dinámica molecular (MD). Los resultados indican que RPAR se une tanto a las caras (100) y (111) del oro. La conformación del péptido adsorbido difiere considerablemente de la conformación bioactiva. Aún así, las nuevas conformaciones no son estabilizadas por fuertes interacciones intramoleculares. De acuerdo a estos resultados, las nanopartículas de oro pueden ser consideradas como vehículos indicados para el transporte y liberación selectiva de este péptido CendR. Para el conjugado péptido-polímero pre-ensamblado, se ha usado un método teórico que simula la desolvatación progresiva del nanotubo, demostrando que la presencia del solvente durante la deposición es el principal responsable para las preferencias conformacionales inexplicadas de los bloques acrílicos. Cuando la proporción de solvente cae, la pérdida de muchas interacciones atractivas entre soluto y solvente induce un significante aumento en el número de torsiones. También se ha usado MD para entender el impacto del medio solvente y la acción de un detergente en la estructura de una proteína de membrana exterior (OMP) representativa. Los cálculos muestran la desestabilización de la proteína en agua, mientras que la presencia de moléculas de detergente en solución o en bicapa inducen un efecto protector parcial y completo, respectivamente. Combinando algoritmos estocásticos y simulaciones de MD, se ha modelado los detalles a nivel atómico de los recubrimientos de poli(3,4-etilendioxitiofeno), PEDOT, sobre acero inoxidable para reproducir las propiedades topográficas observadas experimentalmente. Los resultados han proporcionado un modelo excelente para probar la estrategia de modelado desarrollada. Se han realizado simulaciones multifásicas para explicar la influencia de las interacciones proteína-polímero en la actividad antimicrobiana de los condensadores que contienen electrodos lisozima (LYZ)-PEDOT, a través de cálculos de MD atomísticos. Dos modelos se han investigado: i) un sistema bifásico en los que la proteína ha sido adsorbida sobre la superficie de PEDOT, PEDOT/LYZ; y ii) un biocompuesto en el que la LYZ ha sido distribuida homogéneamente dentro la matriz de PEDOT, P(EDOT-LYZ). Las simulaciones de MD se han realizado tanto en ausencia como en presencia de campos eléctricos, el último para simular los originados por la diferencia de voltaje en los biocondensadores. La iso- y aniso-tropía de las interacciones son claves para la conservación