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Modelización computacional de las propiedades redox de acidos nucleicos en diferentes entornos

Fecha de lectura: 2023-10-11 Centro: UAM | ID: 10486/712797

Autor/a: Lucia Tamudo, Jesus

Director/a: Nogueira Pérez, Juan José ; Diaz-Tendero Victoria, Sergio

Resumen

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Química. Fecha de Lectura: 11-10-2023 (General); Los ácidos nucleicos son biomoléculas fundamentales para el almacenación y transmisión del material genético de los seres vivos. Gracias a estas macromoléculas, la evolución a través del concepto de estabilidad dinámica ha sido posible a lo largo de la historia. Tanto el ARN como el ADN se componen de polímeros de nucleótidos cuya sequencia codifica el genotipo y fenotipo de los individuos. Cada uno de estos bloques monoméricos se componen, a su vez, de una pentosa fosfatada en su átomo C5, que sirve como esqueleto del polímero, y de una base nitrogenada unida a la pentosa en su átomo C1. Así pues, la secuencia de la cadena de ADN/ARN queda determinada por el tipo de nucleobase presente en cada uno de estos nucleótidos. Existen cinco nucleobases canónicas que componen los ácidos nucleicos: adenina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T) y uracilo (U). Mientras que la estructura del ARN se caracteriza típicamente por la presencia de una sola cadena polimérica, la del ADN suele describirse como una doble hélice formada por dos hebras antiparalelas, dextrógiras y complementarias. Además de la función biológica del ADN, en las últimas décadas se han propuesto otras innovadoras aplicaciones para esta macromolécula. Entre estas novedosas aplicaciones destacan la detección molecular y su uso como un nanocable conductor de la electricidad. En ambos casos, un conjunto de moléculas de ADN se inmovilizan sobre una superficie metálica que actúa como electrodo. En una primera etapa, se produce un intercambio de carga entre una fuente y la cadena de ADN. Estas fuentes suelen ser analitos o electrodos en el caso de biosensores o de nanocables, respectivamente. Tras esto, se produce un transporte de carga a lo largo de la doble hélice (o de una hélice simple) de forma que se genera una corriente eléctrica. Finalmente, tiene lugar una transferencia de carga de la cadena de ADN al sustrato metálico, que desempeña la función de electrodo. Un conocimiento detallado del mecanismo de actuación, así como de los factores que influyen en él, da como resultado la posibilidad de controlar y eficienciar el proceso descrito. En este contexto, se ha demostrado que las principales responsables de la transferencia y transporte de carga son las nucleobases, especialmente en fase acuosa. De este modo, resulta fundamental conocer las propiedades que permiten que esta transferencia de carga sea posible. Esta transferencia se puede ver como un conjunto de reacciones de reducción-oxidación que se dan de forma secuencial. En primera instancia, entre la fuente de esa carga y una de las nucleobases del ADN. En segundo lugar, entre nucleobases de la misma molécula de ADN. Y en tercer lugar, entre la nucleobase más cercana a la superficie metálica y el propio sustrato metálico. Además, también resulta útil entender cómo se distribuye la carga a lo largo de la hebra, si existe una localización explícita de la carga en una nucleobase o, por el contrario, se encuentra dispersa entre varias. Gracias a la bibliografía, se conoce que las nucleobases son más susceptibles de sufrir una oxidación que una reducción, de forma que la carga transportada es positiva, es decir, una vacante. En la presente tesis se ha abordado el estudio de estos procesos desde el punto de vista de la química computacional. Para empezar, se presenta de forma más detallada el interés científico que despiertan los asuntos que se abordan en esta tesis. Puesto que los ácidos nucleicos son macromoléculas fundamentales para perpetuar la vida, el estudio de su origen y evolución hasta la estructura actual es objeto recurrente de estudio. Cobran importancia, por tanto, la síntesis de nucleótidos a partir de materia inorgánica y el estudio de la estabilidad de las nucleobases y los nucleótidos frente a posibles factores perjudiciales, entre otros. Además, gracias a la aparición de estas aplicaciones alternativas del ADN, el estudio de las propiedades redox de los ácidos nucleicos, de los mecanismos intramoleculares de transporte de carga, y de la transferencia de carga con sistemas externos se tornan vitales. En esta línea, la implicación de la química computacional en este campo permite la posibilidad de conocer detalles mecanísticos y efectos en sus propiedades frente a factores concretos. Adicionalmente, la química computacional puede predecir estos aspectos en sistemas que no han sido ampliamente estudiados a día de hoy de forma experimental. De este modo, se puede acelerar el desarrollo y evolución de sistemas como puede ser el de un biosensor electroquímico basado en ADN o el de un nanocable formado por hebras de ADN. Con este enfoque como factor motivacional, se han estudiado las propiedades redox y la distribución de una vacante entre nucleobases inmersas en tres tipos de ambientes distintos, cada uno correspondiente a las partes II, III y IV. En la parte II se han estudiado estas moléculas libres en medio acuoso. En la parte III, se ha abordado el estudio de las nucleobases en una hélice simple o doble de ADN, también en fase acuosa. Por último, en la parte IV se ha realizado un trabajo análogo en el que las nucleobases forman parte de una monocapa, como un modelo simple de la interfase existente entre las moléculas de ADN y el electrodo. Los sistemas mencionados anteriormente son complejos, con un gran número de grados de libertad que dan lugar a superficies de energía potential complicadas. Esto genera la necesidad de utilizar técnicas para la exploración del espacio conformacional, de forma que se obtenga un conjunto de geometrías reresentativas del sistema para la reproducción de sus propiedades. Así, se han utilizado recursivamente simulaciones de dinámica molecular clásica o híbridas, que combinan una descripción cuántica y clásica para el sistema. Tras esto, sus propiedades se han determinado mediante métodos de la mecánica cuántica en combinación con técnicas de la mecánica molecular o con modelos continuos de disolvente. Consecuentemente, es necesaria una explicación de las bases de los métodos teóricos utilizados. Esto viene recogido en la parte I, que incluye los Capítulos 1 y 2. El Capítulo 1 se centra en el fundamento y aspectos más relevantes de la dinámica molecular como método para explorar el espacio conformacional de un sistema. En primer lugar, se derivan las ecuaciones del movimiento desde el punto de vista de la dinámica cuántica y se demuestra como, en el límite clásico, estas ecuaciones equivalen a las ecuaciones del movimiento de Hamilton, propias de la dinámica molecular. Puesto que esas ecuaciones no pueden ser resueltas de forma analítica, se proponen algoritmos que son capaces de resolver de forma numérica dichas leyes del movimiento. A continuación, se revisan aspectos relacionados con la reproducción de las condiciones de un sistema de forma realista. De esta forma, se describen algoritmos que simulan la acción de termostatos y barostatos para mantener la temperatura y la presión constante a lo largo de una simulación, tal y como ocurre en muchos de los procesos químicos reales. Para eso es necesario una previa explicación de algunos colectivos ampliamente utilizados en la termodinámica estadística. Por último, se describen las metodologías más utilizadas para paliar los errores que surgen de tratar un sistema microscópico como modelo para estudiar un sistema macroscópico de gran tamaño. El Capítulo 2 repasa las teorías, métodos y técnicas que permiten el cálculo de la energía y otras propiedades de un sistema. Por un lado, se describen los principios de la mecánica molecular a través de una función de energía potencial estándar cuyos términos se basan en modelos físicos simples y describen cada una de las interacciones más relevantes de un sistema químico. Por otro lado, se realiza una introducción a la mecánica cuántica como método para el cálculo más preciso de las propiedades de un sistema. De esta forma, se revisa el concepto de función de onda, la teoría de Hartree-Fock y la teoría del funcional de densidad (DFT), así como las variantes de este último empleadas a lo largo de los Capítulos 3-8: Constrained DFT y Tight-Binding DFT. Además, se desarrollan las bases y principales factores a tener en cuenta de los modelos descriptivos híbridos, que combinan métodos cuánticos con técnicas de la mecánica molecular o con modelos continuos para la descripción de un disolvente. Tras la revisión de los métodos, se presentan los resultados obtenidos a lo largo de esta tesis. En el Capítulo 3 (parte II) se ha estudiado el potencial redox, conocido como one-electron oxidation potential, de las nucleobases cuando éstas sufren una reacción de oxidación, es decir, cuando pierden un electron. Para eso, esta propiedad se ha determinado utilizando diferentes protocolos computacionales cuyos resultados han sido comparados con los valores experimentales recogidos en la literatura. Este análisis ha supuesto un benchmarking para determinar el mejor protocolo para el cálculo de estos potenciales redox. Los resultados demuestran que el uso de la teoría de Marcus da como resultado una determinación más precisa de esas propiedades y que, en sistemas complejos, se hace más necesaria la exploración del espacio conformacional del sistema. Además, la fase acuosa se puede describir en términos de modelos continuos de disolvente. En los Capítulos 4-6 (parte III) se ha determinado el potencial de oxidación monoelectrónico de nucleobases presentes en cadenas de ADN, tanto simples como dobles. Además, se ha comparado ese potencial con el obtenido en las nucleobases libres en agua, concluyendo que su poder reductor aumenta al formar parte de la molécula de ADN, especialmente cuando ésta se compone de dos hebras. De esta forma, se ha observado que las nucleobases derivadas de la purina (A y G) tienen un mayor poder reductor que las derivadas de la pirimidina (C y T), estableciendo el siguiente orden relativo: G < A < T ~ C. Este hecho se relaciona con la extensión de su sistema P: a mayor extensión, mayor poder reductor. También se ha estudiado la deslocalización de una carga positiva entre nucleobases adyacentes para tratar de obtener información sobre el transporte de carga y cómo influye la secuencia en el proceso. Este factor también está relacionado predominantemente con la extensión de su sistema P. Cuanto más grande sea ese sistema P, más capacidad para retener la carga positiva en una sola nucleobase y, por tanto, menor tendencia a la deslocalización de la vacante entre nucleobases adyacentes. Por tanto, existe una competencia entre la deslocalización intramolecular e intermolecular. Adicionalmente, en el caso de las cadenas simples, se han podido establecer ciertas correlaciones generales entre parámetros estructurales para amplificar la deslocalización de la vacante entre nucleobases, independientemente de la secuencia. Por último, se ha demostrado que un protocolo de clustering, con sólo unas pocas geometrías, es capaz de proporcionar resultados comparables a los obtenidos tras analizar un conjunto grande de configuraciones. En otras palabras, este estudio de clustering es capaz de reducir significativamente el número de conformaciones a analizar para obtener resultados similares. Por otro lado, los Capítulos 7 y 8, que conforman la parte IV, se centran en el estudio de todas las propiedades discutidas en el párrafo anterior para un sistema de mayor complejidad. Se trata de un conjunto de nucleobases dispuestas como una monocapa adsorbida en una superficie de oro a través de pequeños linkers de distinta naturaleza química. Estos sistemas tratan de ser una simplificación de la región correspondiente a la interfase DNA-sustrato metálico que existe en dispositivos como biosensores de ADN o nanocables formados por estas moléculas. Para este estudio se desarrolló un protocolo eficiente capaz de proporcionar información sobre las propiedades redox del sistema. Se ha observado que el potencial redox de la reacción de oxidación de las nucleobases disminuye cuando éstas forman una monocapa. Este hecho se explica a través de la interacción electrostática entre nucleobases vecinas, que produce una estabilización a la hora de contener la carga positiva en una de ellas. Además, se ha estudiado la posibilidad de que la vacante se transfiera a la superficie metálica, concluyendo que este proceso es bastante favorable tanto más cuanto mayor sea el sistema del ligando que interacciona directamente con el sustrato metálico. Los resultados indican que el mecanismo más probable para esa transferencia sería aquel por el cual la carga positiva pasara de una nucleobase, a través del linker, a la superficie, y no que la vacante se quedara deslocalizada en la monocapa orgánica. El papel de las nucleobases cercanas sería, fundamentalmente, estabilizar esa transferencia por medio de sus interacciones electrostáticas con el metal. En resumen, se ha establecido un protocolo computacional para determinar las propiedades redox de las nucleobases inmersas en diferentes entornos. Además, se han analizado los factores que influyen en estas propiedades con el objetivo de controlar y mejorar los dispositivos basados en el ADN, como nanocables y biosensores. Por lo tanto, los resultados presentados en esta tesis ofrecen una visión relevante sobre el modo de funcionamiento de los fenómenos de transferencia de carga y transporte de carga que ocurren en estos sistemas. (Summary)

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