Efecto de un campo eléctrico externo en las interacciones Proteína-Superficie: un enfoque desde la ecuación de Poisson-Boltzmann y el método de elementos de frontera

Abstract

En el campo de la biotecnología, la adsorción y las interacciones entre biomoléculas y superficies tiene un papel fundamental en diversas aplicaciones, tales como las superficies biocatalíticas y los biosensores. En dichas aplicaciones, tanto la cantidad de biomoléculas que se adsorban, como la accesibilidad de sus sitios activos dada por la orientación de adsorción, son factores relevantes para la obtención de dispositivos con capacidad de detección optimizada. En general, bajo condiciones experimentales típicas, la adsorción de biomoléculas en una superficie da lugar a una capa de proteínas orientadas de forma aleatoria, dejando algunos de estos sitios inaccesibles a los sustratos o antígenos, dependiendo del caso. En base a lo anterior, es que el control y homogeneización de la orientación de adsorción es sumamente importante para el desarrollo de mejores superficies catalíticas. En este sentido, el uso de campos eléctricos externos es una opción con gran potencial para lograr dicho objetivo. Los campos externos permiten controlar la homogeneidad espacial de las biomoléculas durante la inmovilización en una superficie, dejándolas bajo orientaciones eventualmente favorables, y con ello contribuir a mejoras en la actividad catalítica. Ello motiva al desarrollo de métodos computacionales que permitan comprender, evaluar, y predecir las interacciones proteína-superficie, con la finalidad de dar soporte a investigadores experimentalistas. Dado que el desarrollo de simulaciones con Dinámica Molecular (DM) son computacionalmente costosas, es necesario plantear modelos simples y precisos que sirvan como primer filtro a simulaciones de alto detalle. Por ese motivo, este trabajo plantea un modelo de solvente implícito, basado en la ecuación linealizada de Poisson-Boltzmann, que permite calcular tanto el potencial electrostático en la interfaz biomolecular, como así también la componente electrostática de la energía libre. Para la resolución numérica de este modelo usamos el código PyGBe, el cual esta basado en el método de elementos de frontera (BEM). Para esto, se realizó una extensión al modelo en PyGBe para contemplar el efecto de un campo externo. Al respecto, el modelo planteado permite estimar la afinidad general de la proteína con la superficie, y su orientación más probable en función del potencial aplicado. Para aplicar dicho modelo a sistemas de interés, previamente se realizó una verificación y validación. Dicho esto, en primer lugar se desarrollaron soluciones analíticas para verificar numéricamente las extensión del modelo en el código. Posteriormente a modo de validación, utilizamos como referencia predicciones de alto grado de detalle realizadas con Dinámica Molecular, para interacciones de una lisozima con una superficie cargada. Al respecto, se logra reproducir hasta cierto punto el efecto de control de la orientación de adsorción y su homogeneidad dependiendo del potencial aplicado, sin embargo se debe dar cuenta de una sobre-representación del campo externo, que da lugar diferencias respecto a las predicciones realizadas con DM. Finalmente, con el mismo fin del caso anterior, esto es, validación, se consideró observaciones experimentales de adsorción de tripsina con un electrodo de carbono, las cuales muestran diferencias importantes en la actividad catalítica de una superficie cubierta de tripsina, dependiendo del potencial aplicado durante la adsorción. Los resultados numéricos muestran que los sitios activos de la tripsina en las orientaciones más probables están en ”promedio”, más expuestos cuando el campo eléctrico es negativo, lo que concuerda con los resultados experimentales de la actividad catalítica. Esto permite comprobar y afirmar que las interacciones electrostáticas, por medio de la sintonización de campos externos, pueden usarse para controlar la orientación de la adsorción de proteínas.