Ab initio molecular dynamics study of thiolate-protected gold clusters and their interaction with biomolecules
Authors:   , Rojas-Cervellera Víctor 
Published: October 2023

Thiolate monolayer-protected gold clusters (AuMPCs) are being used in various biological and biomedical applications due to their unique physical and chemical properties. The fact that gold-sulphur bonds are very stable enables the binding of biomolecules in the surface of gold clusters through a cysteine, an amino acid that contains a thiol group (SH). Specific AuMPCs-peptide conjugates can cross the blood-brain barrier without altering its integrity, opening the door for the treatment of pathologies related to the central nervous system, such as Alzheimer or Parkinson. Moreover, AuMPCs represent an alternative to the traditional fluorescence-based biosensors, due to their optical properties and its ability to bind specific antigens when certain AuMPCs-antibody conjugates are used.
Several synthetic approaches based on the reduction of gold salts have been proposed to synthesize AuMPCs. In 1951 Turkevich and co-workers used sodium citrate for the reduction of chloroauric acid. In 2002 a novel synthetic method was proposed, named solvated metal atom dispersion method. In this method, neutral gold atoms were mixed with alkanethiols, resulting in the formation of AuMPCs, and molecular hydrogen was detected. This finding, together with the first crystallization and X-ray structure determination of Au102(SR)44 by Jadzinsky et.al., triggered a debate in the field, since the protons that were initially present in alkanethiols were not found in the AuMPC structure. One of the main goals of the present Thesis is to elucidate where the alkanethiol hydrogens go during the formation of the AuMPC. To this aim, ab initio metadynamics have been used to unravel the molecular mechanism of the formation of AuMPCs departing from neutral gold clusters and alkanethiols (Chapter III).
Key to the usage of AuMPCs as biosensors is the better knowledge of their optical properties. The HOMO-LUMO gap, is a physical parameter related with optical properties. Density Functional Theory (DFT) is extensively used to obtain a theoretical value of the HOMO-LUMO gap, although it is known to severely underestimate it with respect to the experimental values. Nevertheless, recent computational studies using DFT have reported values of the HOMO-LUMO gap of AuMPCs in a very close agreement with the experimental ones. However, a simplified model of the real system was used, raising the question whether the agreement between the theoretical and the experimental values is fortuitous due to a compensation of errors. Our goal is to obtain HOMO-LUMO gap values using the whole experimental systems, i.e. peptides as the protecting ligands of the gold core and water as solvent (Chapter IV) to demonstrate that only a realistic model, and not only the use of appropriate DFT functionals, can lead to values comparable to the experimental ones.
In a first step for the understanding of the reactivity of AuMPCs towards proteins, in Chapter V we modelled the binding of AuMPC towards an antibody. This process, known as ligand exchange reaction, is used to label proteins with gold clusters, as reducing agents cannot be used when certain biomolecules are present. Our results show that the neighbouring amino acids of the cysteine that should bind to the gold cluster play an essential role in the reaction.
Finally, we focus on the study of the mechanism of the enzymatic reaction of a glycoprotein, a-1,3-glycosyltransferase. In recent years, our group has investigated the mechanism of one family of glycosyltransferases (GTs), providing its catalytic itinerary. In this thesis we extend this study to another family of GTs to elucidate whether or not a common molecular mechanism operates for GTs. This study represents one step towards the modelling of the more complex glycosyltransferases immobilized by gold nanoparticles, a promising technique for the development of automated glycosynthesis.
The theoretical methods used along this thesis are detailed in Chapter II.
Los clústeres de oro protegidos por tiolatos (AuMPCs) se utilizan en varias aplicaciones biológicas y biomédicas debido a sus propiedades físicas y químicas. El hecho de que el enlace oro-azufre sea muy estable permite la unión de biomoléculas en la superficie de los clústeres de oro a través de una cisteína, un aminoácido que contiene un grupo tiol (SH). Sistemas específicos AuMPC-péptido pueden atravesar la barrera hematoencefálica sin alterar su integridad, pudiéndose utilizar para tratar patologías relacionadas con el sistema nervioso central, como el Alzheimer o el Parkinson. Además, los AuMPCs representan una alternativa a los biosensores tradicionales debido a sus propiedades ópticas y su especificidad ante ciertos antígenos cuando se escoge el sistema AuMPC-péptido adecuado. Métodos basados en la reducción de sales de oro han sido propuestos para sintetizar AuMPCs. En 1951 Turkevich y colaboradores usaron citrato sódico para la reducción de ácido cloroáurico. En 2002 un nuevo método sintético fue propuesto, denominado método de dispersión de átomos metálicos solvatados. En este método, átomos de oro neutros se mezclan con alcanotioles, resultando en la formación de AuMPCs e hidrógeno molecular. Este hecho, junto con la primera cristalización y determinación estructural de Au102(SR)44 llevada a cabo por Jadzinsky y colaboradores, desencadenó un gran debate en el campo, ya que los protones que inicialmente estaban presentes en los alcanotioles no se encontraron en la estructura cristalográfica. Uno de los objetivos de esta tesis es encontrar cómo los átomos de hidrógeno forman H2 durante la formación de AuMPCs. Con este fin, se utiliza metadinámica ab initio para descifrar el mecanismo molecular de la formación de AuMPCs partiendo de clústeres de oro neutros y alcanotioles (capítulo III). Clave para el uso de AuMPCs como biosensores es el conocimiento de sus propiedades ópticas. La energía HOMO-LUMO está relacionada con estas propiedades ópticas. La teoría del funcional de la densidad (DFT) ha sido muy utilizada para obtener valores teóricos de la energía HOMO-LUMO, aunque es sabido que subestima este valor con respecto al obtenido experimentalmente. Aún así, estudios computacionales recientes han seguido utilizando DFT para calcular valores de la energía HOMO-LUMO de AuMPCs, y sorprendentemente los valores obtenidos están de acuerdo con los resultados experimentales. Sin embargo, los sistemas estudiados siempre han sido modelos simplificados de los sistemas reales, originando la pregunta de si la coincidencia es fortuita debido a una compensación de errores. Nuestro objetivo es obtener valores de la energía HOMO-LUMO para sistemas utilizados experimentalmente, es decir, péptidos como ligandos y agua como disolvente (capítulo IV) para demostrar que únicamente un modelo realista y no sólo el uso de funcionales DFT adecuados puede dar resultados comparables con los experimentales. Como primer paso para entender la reactividad de AuMPCs frente a proteínas (capítulo V), se ha modelizado la unión de un AuMPC y un anticuerpo. Este proceso, conocido como reacción de intercambio de ligandos, se utiliza para marcar proteínas con clústeres de oro. Nuestros resultados muestran que los aminoácidos del entorno de la cisteína que debe unirse al clúster de oro juegan un papel esencial en la reacción. Finalmente nos centramos en el mecanismo enzimático de una glicoproteína, la a-1,3-glicosiltransferasa. Recientemente nuestro grupo ha investigado el mecanismo de una familia de glicosiltransferasas (GTs), obteniendo su itinerario catalítico. En esta tesis hemos extendido dicho estudio a otra familia de GTs para averiguar si existe un mecanismo común para todas las GTs. Este estudio representa un primer paso para la modelización de sistemas más complejos de GTs inmovilizadas por AuMPCs, una técnica prometedora para el desarrollo de glicosíntesis automatizada. Los métodos teóricos utilizados en la tesis se describen en el capítulo II.