Predicting Adsorption Affinities of Small Molecules on Carbon Nanotubes Using Molecular Dynamics Simulation

Citation: Comer, J., Chen, R., Poblete, H., Vergara-Jaque, A., & Riviere, J. E. (2015). Predicting Adsorption Affinities of Small Molecules on Carbon Nanotubes Using Molecular Dynamics Simulation. ACS Nano, 9(12), 11761–11774. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b03592Computational techniques have the potential to accelerate the design and optimization of nanomaterials for applications such as drug delivery and contaminant removal; however, the success of such techniques requires reliable models of nanomaterial surfaces as well as accurate descriptions of their interactions with relevant solutes. In the present work, we evaluate the ability of selected models of naked and hydroxylated carbon nanotubes to predict adsorption equilibrium constants for about 30 small aromatic compounds with a variety of functional groups. The equilibrium constants determined using molecular dynamics coupled with free-energy calculation techniques are directly compared to those derived from experimental measurements. The calculations are highly predictive of the relative adsorption affinities of the compounds, with excellent correlation (r ? 0.9) between calculated and measured values of the logarithm of the adsorption equilibrium constant. Moreover, the agreement in absolute terms is also reasonable, with average errors of less than one decade. We also explore possible effects of surface loading, although we demonstrate that they are negligible for the experimental conditions considered. Given the degree of reliability demonstrated, we move on to employing the in silico techniques in the design of nanomaterials, using the optimization of adsorption affinity for the herbacide atrazine as an example. Our simulations suggest that, compared to other modifications of graphenic carbon, polyvinylpyrrolidone conjugation gives the highest affinity for atrazine—substantially greater than that of graphenic carbon alone—and may be useful as a nanomaterial for delivery or sequestration of atrazine

Propiedades estructurales y electrostaticas en la via de conduccion ionica del canal de potasio (K+) Shaker y los mutantes P475D y P475Q

87 p.Los canales de potasio (K+) dependientes de voltaje abren y cierran el poro en respuesta a cambios en el voltaje de la membrana, permitiendo asi­ la conduccion o no de iones a traves de la bicapa lipi­dica. Estos canales presentan una elevada selectividad al ion potasio, determinada por la secuencia aminoacídica TVGYGD altamente conservada entre los distintos canales de K+. De acuerdo a esto, la conductancia unitaria entre ellos deberi­a ser similar, sin embargo vari­a considerablemente entre un canal y otro. En el canal Shaker la secuencia PVP del segmento S6, forma una compuerta de entrada que se cierra ante un voltaje negativo de membrana, no obstante la mutacion de la segunda prolina por acido aspartico o glutamina (P475D o P475Q), bajo estas condiciones, muestra una conductancia ~10 y ~7 veces mayor a la del canal silvestre. El objetivo de este trabajo es determinar las propiedades estructurales y electrostaticas que gobiernan las variaciones en la conductancia entre el canal Shaker silvestre y los mutantes P475D y P475Q. Para realizar este estudio se utilizaron tecnicas de simulacion molecular, acompanadas de calculos de potencial electroestatico en la vi­a de conduccion ionica del canal. El analisis de las propiedades estructurales y electrostaticas correlacionadas con la conductancia, sugieren que el incremento de esta se debe a la presencia de un residuo polar, lo que provoca una perturbacion estructural de la compuerta de apertura y aumenta el potencial electrostatico en la cavidad interna del poro. La ausencia de la prolina 475 en el segmento S6 disminuye el angulo de quiebre de este segmento, aumentando el volumen del vestíbulo interno. De esta misma forma, la presencia de residuos polares incrementa el potencial electrostatico en la region PVP, generando un nuevo sitio de union a K+, lo que confiere una mayor estabilidad de estos iones, acelerando así la conducción iónica en la cavidad intracelular. Palabras Claves: Canal de Potasio - Shaker - Region PVP - Modelamiento Comparativo - Simulacion Molecular - Algoritmo HOLE - PMF - Potencial Electrostatico - Densidad ionica./ ABSTRACT: Voltage-gated potassium (Kv) channels open and close their ion-conduction pore in response to changes in membrane voltage, allowing the ions conduction through the lipid bilayer. These channels have a high selectivity over potassium ions, determined by the amino acid sequence TVGYGD, highly conserved among different K+ channels. According to this, the unitary conductance between these channels would be similar, however it varies considerably from one potassium channel to another. In Shaker potassium channels the PVP sequence in segment S6, forms an entrance gate that is closed in presence of a negative membrane voltage; Nevertheless, mutants of proline 475 to aspartic acid or glutamine (P475D or P475Q), under these conditions, show a conductance ~10 y ~7 times higher than the wild type channel. The goal of this study is to determine the structure and electrostatic properties responsible of the conductance differences between the Shaker wild type channel and the P475D and P475Q mutants. To perform this study, molecular simulation techniques and electrostatic potential calculations in the permeation pathway of Shaker were carried out. The analysis of the structural and electrostatic properties correlated with conductance data, shows that the increase of conductance is due to the presence of a polar residue, that causes a structural disruption of the intracellular entrance and increases the electrostatic potential in the pore internal cavity. The absence of proline 475 in the S6 segment decreases the angle of rupture of this segment, increasing the volume of intracellular aqueous cavity. In the same way, the presence of polar residues increase the electrostatic potential in the PVP region, generating a new K+ binding site, which confers a better stability for these ions, accelerating the ion conduction in the intracellular cavity

Efectos estructurales y energéticos de residuos críticos (Y671 Y K639) en la capacidad de transportar iones en el poro del canal receptor de potencial transitorio vaniloide tipo 1 (TRPV1)

87 p.El canal receptor de potencial transitorio vaniloide tipo 1 (TRPV1), es un integrador molecular de estímulos físicos y químicos en nociceptores periféricos.Este canal se destaca por participar en la percepción del dolor y la hipersensibilidad térmica durante procesos que involucran inflamación, por lo que es considerado un potencial blanco terapéutico para el desarrollo de fármacos anestésicos. Dentro de la estructura de TRPV1 han sido identificadas varias regiones y aminoácidos involucrados en funciones específicas del canal. De modo que, datos experimentales han mostrado que la mutación del residuo Tyr671 en el poro de TRPV1, por aminoácidos con propiedades fisicoquímicas diferentes altera la permeabilidad iónica del canal y su capacidad de desensibilización. A su vez, la neutralización del residuo K639 aumenta la inhibición por protones. Por lo que, mediante la utilización de metodologías bioinformáticas se analizó los efectos estructurales y energéticos que generan mutaciones en los residuos Y671 y K639. A partir de los resultados obtenidos, se logró establecer que las variaciones producidas en la conductancia de TRPV1, son el resultado principalmente de cambios en el potencial electrostático del poro, más que a la generación de barreras estéricas que afecte el paso de los iones./ABSTRACT: The transient receptor potential vanilloid type 1 (TRPV1) channel is a molecular integrator of physical and chemical stimuli in peripheral nociceptors. This channel is characterized by participating in pain perception and thermal hypersensitivity during processes involving inflammation, therefore it is considered a potential target for the development of anesthetic drugs.Within the structure of TRPV1 have been identified several regions and amino acids involved in specific functions of the channel, so as experimental data have shown that mutation of Tyr671 residue on TRPV1 pore, by amino acids with different physicochemical properties, alters the permeability to ions of the channel and its desensitization capacity. In turn, the K639 residue neutralization increases the inhibition by protons. Therefore, the structural and energetic effects residues were analized using bioinformatics methodologies by mutations in Y671 and K639. Based on the results obtained, it was possible to establish that variations produced in the conductance of TRPV1, occur mainly from changes in electrostatic potential of the pore, instead of steric barrier that affects the passage of ions

Cambios conformacionales en proteínas transportadoras de membrana definidos por repeticiones de topología invertida

60 p.Los transportadores activos secundarios son proteínas transmembranales que median el paso de una amplia gama de solutos a través de la membrana lipídica. El proceso de transporte se basa en un mecanismo de acceso alternado que alcanza al menos tres estados distintivos: una conformación orientada al medio interno, otra conformación intermedia ocluida y una conformación orientada al medio externo. Pese a estos tres posibles estados conformacionales, las proteínas transportadoras tienden a cristalizar en un solo estado. El protocolo denominado “modelado por homología usando repeticiones de intercambio" permite actualmente estimar la conformación opuesta de un transportador usando como templado su conformación inversa. En el presente estudio se utilizó este protocolo para modelar el transportador de nitrato NRT1.1 de Arabidopsis thaliana perteneciente a la familia NPF en una conformación orientada hacia el medio externo. Posteriormente, sobre la base de la estructura cristalográfica de NRT1.1 y el modelo generado en una conformación inversa, se construyeron modelos comparativos de tres simportadores de H+/glucosinolato (GTR1, GTR2 y GTR3). A través de un análisis estructural de estas proteínas se logró identicar elementos claves para el transporte de nutrientes en proteínas transportadoras de plantas. Adicionalmente, se identicaron residuos implicados en la especificidad y translocación de sustratos. Los resultados obtenidos a lo largo de esta investigación sugieren un sitio de unión a glucosinolatos dependiente de su cadena lateral y predicen mutaciones claves para un transporte selectivo de nutrientes. // ABSTRACT: Secondary active transporters are transmembrane proteins that allow the passage of a wide range of solutes across the lipid membrane. The transport process is based on an alternate access mechanism that reaches at least three distinctive states: inward-facing, occluded and outward-facing conformation. Despite these three possible conformational states, membrane protein transporters tend to crystallize in a single state. The protocol called Repeat swap homology modelling currently allows estimating the opposite conformation of a transporter using its inverse conformation as template. In the present study, this protocol was used to model the nitrate transporter NRT1.1 of Arabidopsis thaliana belonging to the NPF family in an inward-facing conformation. Subsequently, on the basis of the crystallographic structure of NRT1.1 and the model generated in an inverse conformation, comparative models of three H+/glucosinolate symporters (GTR1, GTR2 and GTR3) were constructed. Through a structural analysis of these proteins, it was possible to identify key elements for the transport of nutrients in plant transport proteins. Additionally, residues involved in the specicity and translocation of substrates were identied. The results obtained in this investigation suggest a substrate binding site in the three transporters dependent on the glucosinolate's side chains and predict key mutations for selective nutrient transport

Family resemblances: A common fold for some dimeric ion-coupled secondary transporters

Membrane transporter proteins catalyze the passage of a broad range of solutes across cell membranes, allowing the uptake and efflux of crucial compounds. Because of the difficulty of expressing, purifying, and crystallizing integral membrane proteins, relatively few transporter structures have been elucidated to date. Although every membrane transporter has unique characteristics, structural and mechanistic similarities between evolutionarily diverse transporters have been identified. Here, we compare two recently reported structures of membrane proteins that act as antimicrobial efflux pumps, namely MtrF from Neisseria gonorrhoeae and YdaH from Alcanivorax borkumensis, both with each other and with the previously published structure of a sodium-dependent dicarboxylate transporter from Vibrio cholerae, VcINDY. MtrF and YdaH belong to the p-aminobenzoyl-glutamate transporter (AbgT) family and have been reported as having architectures distinct from those of all other families of transporters. However, our comparative analysis reveals a similar structural arrangement in all three proteins, with highly conserved secondary structure elements. Despite their differences in biological function, the overall "design principle" of MtrF and YdaH appears to be almost identical to that of VcINDY, with a dimeric quaternary structure, helical hairpins, and clear boundaries between the transport and scaffold domains. This observation demonstrates once more that the same secondary transporter architecture can be exploited for multiple distinct transport modes, including cotransport and antiport. Based on our comparisons, we detected conserved motifs in the substrate-binding region and predict specific residues likely to be involved in cation or substrate binding. These findings should prove useful for the future characterization of the transport mechanisms of these families of secondary active transporters

Transporte de nicotinato y compuestos relacionados mediado por el transportador de monocarboxilatos acoplado a sodio (SMCT1)

63 p.Las proteínas de membrana tienen una gran importancia biológica, debido a que juegan un papel fundamental en distintos procesos que regulan una larga lista de enfermedades. Estas proteínas son cruciales para el transporte de sustratos en la célula, por lo que pueden actuar fácilmente como dianas biológicas, logrando desencadenar alguna respuesta farmacológica deseada. La familia SCL5, es una familia de cotransportadores de monocarboxilatos acoplado a sodio, que contempla 12 proteínas en el genoma humano. Existen varios estudios que reportan la importancia de esta familia en procesos de captación de azúcares, vitaminas y aminoácidos, sin embargo, los mecanismos estructurales asociados al transporte de solutos aún no son del todo caracterizados. Principalmente el gen SLC5A8, el cual codifica el transportador 1 de monocarboxilatos y cadenas cortas de ácidos grasos acoplado a sodio (SMCT1, del inglés Sodiumcoupled monocarboxylate transporter 1), ha sido asociado a la recaptación de monocarboxilatos en distintos órganos humanos. En este ámbito, investigaciones recientes a cerca del transporte de nicotinato, una vitamina del complejo B tipo monocarboxilato, han demostrado una reducción en el transporte de esta molécula debido a una mutación puntual en el residuo treonina 91 de SMCT1. En la presente investigación se utilizó una estrategia de modelado por homología de proteínas para generar un modelo del transportador SMCT1 en una conformación orientada hacia el medio externo. Acoplamiento molecular para la búsqueda de confórmeros que representaran el modo de unión de nicotinato y compuestos relacionados de variada afinidad para SMCT1, para finalmente aplicar metodologías de simulación molecular caracterizando estructuralmente los elementos claves que regulan la captación de estos compuestos, además de estudiar el efecto la mutación treonina 91 por glicina (T91G) y como esto incide en el transporte de sustratos. Los resultados obtenidos a lo largo de esta investigación sugieren que los residuos F65, F85, F88, Y92 y W253 son residuos importantes en la captación de compuestos, por otro lado, el residuo treonina 91 presenta un rol estructural en donde su mutación por glicina, que termina provocando la distorsión en las cadenas laterales de Y92 y W253 produce la inestabilidad de estos complejos. // ABSTRACT: Membrane proteins are of great biological importance, since they play a fundamental role in different processes that regulate a long list of diseases. These proteins are crucial for the transport of substrates in the cell, so they can easily act as biological targets, triggering a desired pharmacological response. The SCL5 family is a family of sodium-coupled monocarboxylate cotransporters, which includes 12 proteins in the human genome. There are several studies that report the importance of this family in the uptake of sugars, vitamins and amino acids; however, the structural mechanisms associated with solute transport have not yet been fully characterized. Mainly the SLC5A8 gene, which encodes the sodium-coupled monocarboxylate and short-chain fatty acid transporter 1 (SMCT1), has been associated with the reuptake of monocarboxylates in different human organs. In this field, recent research on the transport of nicotinate, a monocarboxylate-type B-complex vitamin, has demonstrated a reduction in the transport of this molecule due to a point mutation in the threonine 91 residue of SMCT1. In the present investigation, a protein homology modeling strategy was used to generate a model of the SMCT1 transporter in an externally oriented conformation. Molecular docking to search for confomers representing the binding mode of nicotinate and related compounds of varying affinity for SMCT1, to finally apply molecular simulation methodologies to structurally characterize the key elements that regulate the uptake of these compounds, in addition to studying the effect of the threonine 91 by glycine (T91G) mutation and how this affects the transport of substrates. The results obtained throughout this research suggest that residues F65, F85, F88, Y92 and W253 are important residues in the uptake of compounds, on the other hand, residue threonine 91 presents a structural role where its mutation by glycine, which ends up causing the distortion in the side chains of Y92 and W253 produces the instability of these complexes

Estudio computacional de la afinidad de dendrímeros PAMAN G0 por iones metálicos presentes en aguas contaminada

80 p.Los nanopolímeros dendríticos han sido potenciados en diversos ámbitos, siendo uno de ellos la remoción de metales en agua. Estos materiales presentan afinidad por diversas moléculas dependiendo de su grupo terminal que es capaz de modificar la especificidad de atrapamiento por ciertas moléculas. En esta tesis, se utilizaron aproximaciones químico-computacionales aplicadas al estudio de las interacciones entre metales y dendrímeros PAMAM G0 sin funcionalizar y funcionalizados con un conjunto de grupos terminales (asparagina, lisina y arginina). Los metales estudiados son iones bivalentes Cu, Ni y Zn que se presentan comúnmente como residuos tóxicos en agua. Las metodologías computacionales utilizadas corresponden a aproximaciones DTF (Teoría de Funcionales de la Densidad) y semi-empíricas. Los métodos utilizados permitieron recabar información relevante con respecto a la geometría y afinidad de éstos complejos. Los resultados obtenidos por medio de técnicas computacionales de la TFD indican que las coordinaciones más estables entre dendrímero-metal se encuentran en el sector del núcleo del dendrímero, para lo cual se obtuvieron geometrías del tipo cuadrado planar distorsionadas. Por otra parte, la afinidad encontrada por dichos estudios indica el siguiente orden: Ni(II) > Cu(II) > Zn(II), lo cual difiere de la información obtenida experimentalmente, la cual mostró la tendencia Cu(II) > Ni(II) y Zn(II). Sin embargo, estos estudios podrían ser complementados adicionando solvente implícito al sistema, lo que podría conseguir la misma tendencia en ambos estudios. Los cálculos por métodos semi-empíricos por su parte sugieren que se obtendría una mejor extracción de éstos metales a través de una funcionalización de PAMAM G0 con el grupo asparagina./ABSTRACT: Dendritic nanopolymers have been successfully applied in different technological solutions; one of them is the removal of metals in water. Dendrimers exhibit high affinity for different molecules depending of their terminal groups that are capable of modifying the capture specificity for certain molecules. In this thesis, computational chemistry approaches were used to study the interactions between metals and the non-functionalized dendrimer PAMAM G0, and PAMAM G0 functionalized with a set of chemical groups (asparagine, lysine and arginine). The selected metal ions corresponded to the divalent cations Cu, Ni and Zn, commonly present as toxic waste in water. Relevant information about the geometry and affinity of these metal complexes was obtained through DFT and semi-empirical approximations. DFT results indicated that the core area of the dendrimer corresponds to the most stable coordination site exhibiting a distorted square planar geometry. Moreover, the affinity of the ligand for each metal showed the following tendency: Ni(II)> Cu(II)> Zn(II). This sequence differs from the experimental information; however, the introduction of implicit solvation models could complement and improve these studies. Analyses of the complexation of metals with the functionalized dendrimer at semi-empirical level of theory showed that PAMAM G0 modified with asparagine is the best candidate for water remediatio

Identificación de integrinas como blancos farmacológicos para el diseño de terapias contra el cáncer colorrectal

66 p.El cáncer colorrectal (CRC) es el tercer cáncer más diagnosticado en el mundo, con probabilidades de supervivencia muy bajas si no es detectado en un estado temprano. En este contexto es que se buscan alternativas eficientes, y complementarias a las aproximaciones quirúrgicas y de quimioterapia que ya existen, para tratar este tipo de patologías. La identificación de proteínas que inciden en procesos celulares asociados a CRC resulta esencial para definir blancos farmacológicos que faciliten la unión de formulaciones médicas. Proteínas pertenecientes a la familia de integrinas, un tipo de estructuras heterodiméricas compuestas por una subunidad α y una subunidad β, participan en los pasos fundamentales para la reproducción y supervivencia celular. Variadas isoformas de estas proteínas están sobreexpresadas en diversos tipos de cáncer. Específicamente, las isoformas α5β1, αVβ6 y αVβ3 están vinculadas directamente a cáncer colorrectal. En este contexto, el objetivo general del presente trabajo consistió en evaluar la unión de estas proteínas a fragmentos peptídicos que en su secuencia presentan los motivos RGD y NGR, los cuales han mostrado alta afinidad por integrinas. Para ello, se realizaron estudios bioinformáticos que permitieron identificar residuos claves en la interacción proteína-péptido mediante análisis de secuencia y estructura. Inicialmente, se modeló una serie de péptidos de interés, cuya afinidad con las integrinas fue evaluada a través de estudios de acoplamiento molecular. Posteriormente, se llevaron a cabo simulaciones de dinámica molecular y estimaciones de energía libre de unión de los complejos integrina-péptido mediante el método MM-GBSA (MM, mecánica molecular; GB, Born generalizado; SA, área de superficie). La finalidad de estos estudios fue identificar complejos de alta afinidad que puedan servir como blancos farmacológicos para diseñar adyuvantes contra el cáncer colorrectal. // ABSTRACT: Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer in the world, with very low suspicion of survival when is not detected at an early stage. In this context, efficient alternatives are sought, and complementary to the surgical and chemotherapy approaches that already exist, to treat this type of pathology. The identification of proteins that affect cellular processes associated with CRC is essential to define pharmacological targets that facilitate the binding of medical formulations. Proteins belonging to the family of integrins, a type of heterodimeric structure composed of an α subunit and a β subunit, participate in the fundamental steps for cell reproduction and survival. Various isoforms of these proteins are overexpressed in various types of cancer. Specifically, the α5β1, αVβ6, and αVβ3 isoforms are directly linked to colorectal cancer. In this context, the general objective of this work was to evaluate the binding of these proteins to peptide fragments that have the RGD and NGR motifs in their sequence, which have shown a high affinity for integrins. For this, bioinformatic studies were carried out that allowed the identification of key residues in the protein-peptide interaction through sequence and structure analysis. Initially, a series of peptides of interest were modeled, whose affinity with integrins was evaluated through docking studies. Subsequently, molecular dynamics simulations and binding free energy estimates of integrinpeptide complexes were carried out using the MM-GBSA method (MM, molecular mechanics; GB, generalized Born; SA, surface area). The purpose of these studies was to identify highaffinity complexes that can serve as drug targets for designing adjuvants against colorectal