Estudio de la permeabilidad osmótica para nanoestructuras en membranas lipídicas

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2019/20). Tutores: Dra. Dña. Chantal Valeriani ; Dr. D. Miguel Ángel González González. La osmosis es un fenómeno importante desde el punto de vista biológico, pero también desde el punto de vista de la ciencia de materiales no solo para el desarrollo de nuevos materiales para osmosis inversa sino también para el desarrollo de materiales útiles en cromatografía y separación selectiva de iones. Los estudios de dinámica molecular han demostrado ser útiles para el análisis del número de moléculas de agua, la velocidad a la que se mueven y la selectividad en canales nanométricos biológicos como las acuaporínas, o no biológicos como nanotubos de carbono. En este trabajo estudiamos un sistema hipotético que consistente en una bicapa lipídica de 400 moléculas de 1,2-Dioleoil-sn-glicero-3-fos-focoina y un nanotubo de carbono de 5nm de longitud, estructura armchair de 924 átomos de carbono insertada verticalmente a la mitad de la membrana. Esta membrana se encuentra separando un volumen de agua y una solución de NaCl 145 milimolal. También se realiza otra simulación similar con una sal distinta, KCl, de la misma concentración. El nanotubo de carbono comunica ambas secciones, el volumen de agua pura por un lado con la solución salina por el otro. Este sistema se simuló a través del paquete de dinámica molecular GROMACS utilizando el campo de fuerza Gromos 53A6 para todas las estructuras, Madrid 2019 para simular los efectos de los iones en solución acuosa y TIP4P/2005 para el agua. Primero se simuló el sistema por un corto periodo en el colectivo NVT y, una vez equilibrado en NPT por un periodo prolongado de 200ns. De acuerdo a lo observado las moléculas de agua se mueven hacia el lado de la solución, como en todo fenómeno osmótico, y los iones no atraviesan el canal del nanotubo. Se evaluó el movimiento de las moléculas de agua en el eje Z respecto a la orientación de la caja de simulación. Para este fin se utilizaron dos programas de análisis proporcionados por el Dr Miguel Angel Gonzales. El primero es un script que genera un registro de las moléculas que atraviesan el centro de masa del nanotubo de carbono respecto al eje z, que es el eje de orientación del nanotubo de carbono, todo esto en función del tiempo y estos se almacenan para luego ser analizados con un segundo programa escrito en Python que nos proporciona gráficos con el número y la molalidad de las soluciones en el tiempo. De acuerdo a lo observado para ambas sales existe una migración de moléculas de agua la tasa de moléculas que atraviesan el nanotubo está en el rango de 10 7 moléculas por segundo. Hecho que demuestra que las moléculas migran a lo largo del canal como es esperado para un fenómeno de ósmosis.

Osmosis is an important phenomenon from the biological point of view, but also from the point of view of modern materials science not only for the development of new materials for reverse osmosis but also for the development of useful materials in chromatography and selective ion separation. Molecular dynamics studies have proven to be useful for the analysis of the number of water molecules, the speed at which they move and the selectivity in biological nanometric channels such as aquaporins, or nonbiological channels such as carbon nanotubes. In this work we study a hypothetical system consisting of a lipid bilayer of 400 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocoin molecules and a 5nm long carbon nanotube, armchair structure of 924 carbon atoms inserted vertically to the middle of the membrane. This membrane is found by separating a volume of water and a solution of 145 millimolal NaCl. Another similar simulation is also performed with a different salt, KCl, of the same concentration. The carbon nanotube communicates both sections, the volume of pure water on one side with the saline solution on the other. This system was simulated through the GROMACS molecular dynamics package using the Gromos 53A6 force field for all structures, Madrid 2019 to simulate the effects of ions in aqueous solution and TIP4P / 2005 for water. First, the system was simulated for a short period in the collective NVT and, once balanced in TPN for a prolonged period of 200ns. According to what is observed, the water molecules move towards the solution side, as in all osmotic phenomena, and the ions do not cross the channel of the nanotube. The movement of the water molecules in the Z axis with respect to the orientation of the simulation box was evaluated. For this purpose, two analysis programs provided by Dr Miguel Angel Gonzales were used. The first is a script that generates a record of the molecules that cross the center of mass of the carbon nanotube with respect to the z-axis, which is the orientation axis of the carbon nanotube, all this as a function of time and these are stored for later be analyzed with a second program written in Python that gives us graphs with the number and molality of the solutions over time. According to what has been observed for both salts, there is a migration of water molecules, the rate of molecules that pass through the nanotube is in the range of 107 molecules per second. Fact that shows that the molecules migrate along the channel as expected for an osmosis phenomenon.